Educador
Aunque Diego Barros Arana tuvo un compromiso constante con la educación en Chile, no fue sino hasta su retorno al país en 1861 cuando asumió un papel protagónico en las políticas educacionales de los gobiernos liberales. En 1863 fue designado Rector del Instituto Nacional. Ocupó este cargo en un momento crucial en la renovación de la educación pública, que continuaba amarrada a viejos contenidos, métodos de enseñanza arcaicos y costumbres monacales de cuño colonial. A partir de ese momento implementó una modernización de los planes de estudios. Bajo su mandato se redujeron las horas de latín, se hicieron optativas las clases de religión y se suprimieron algunas costumbres religiosas como eucaristías matinales. En contraposición se crearon nuevos cursos conforme a los avances científicos logrados en áreas como la química, física, biología, botánica.
Entre otras reformas promovidas por él se encuentra el cambio de un sistema de enseñanza memorístico hacia un modelo concéntrico que enfatizaba los avances del aprendizaje en función del desarrollo intelectual de los alumnos; la especialización de los educadores en áreas del conocimiento en vez de profesores generales vinculados a un único curso. Adicionalmente, preocupado por la carencia de textos adecuados para la enseñanza, Barros Arana adquirió y elaboró personalmente algunos libros de estudio como "Compendio de Historia de América" (1865), "Compendio de Historia Moderna" (1870), "Manual de Composición Literaria" (1871) y "Elementos de Jeografía Física" (1871), transformando a la biblioteca del Instituto en una de las mejores de Chile.
Desde su posición como rector, buscó eliminar las diferencias entre los alumnos de sectores más acomodados y los más modestos que asistían al Instituto Nacional. La importancia de estos cambios obedece a que durante aquella época, el Instituto Nacional fue un modelo para la educación pública y privada a nivel nacional. Sin embargo, la inspiración liberal y laica de estas modificaciones al sistema de enseñanza, causaron la férrea oposición de los sectores más conservadores y católicos que buscaron su destitución del cargo hacia 1873.
Barros Arana también participó e influyó en el ámbito universitario. Desde 1855 fue miembro de la Facultad de Humanidades de la Universidad de Chile, ocupando el cargo de decano de esta facultad desde 1871, siendo reelegido en distintas ocasiones. En 1893 fue elegido Rector, cargo que desempeñó hasta 1897 y a través del cual incentivó el desarrollo de las ciencias y de las disciplinas humanistas. Además, fue un ferviente defensor del Instituto Pedagógico como espacio universitario único para la formación de los futuros profesores, defendiendo a los maestros alemanes contratados para este objetivo. Durante su rectorado nuevamente fue víctima del ataque de la oposición conservadora, que se hizo más tenaz al asumir como Presidente de la República Federico Errázuriz Echaurren, quien se negó a designar a Barros Arana como rector, pese a haber sido propuesto dos veces por el claustro universitario. Finalmente decidió abandonar la rectoría para no perjudicar a la Universidad.
Además de sus labores en estas instituciones, Barros Arana fue responsable de la tuición de la Biblioteca Nacional entre 1863 y 1897. Durante su administración se comenzaron a dar pasos notables en la acumulación y renovación de los fondos bibliográficos y documentales de la Biblioteca.