Le 1er avril 1864 est créé le herd-book des animaux de la race bovine charolaise améliorée dans la Nièvre et connue sous le nom de race nivernaise. Ce livre généalogique, ouvert sous l’impulsion de la société d’agriculture de la Nièvre, inscrit 145 animaux dont 124 sont blancs, 18 blanc froment et quatre jaunes. Son but est d’assurer le maintien de la pureté de la race ainsi que son amélioration future. Une commission rapidement mise en place est chargée d’inscrire de nouveaux animaux. La première commission comprend les membres des sociétés d’agriculture de la Nièvre, du Cher, de l'Allier et de l’Indre et inscrira un total de 1 209 animaux dans 125 élevages, dont la large majorité se situe dans la Nièvre.
Les élevages situés dans le berceau de la race semblent quelque peu à l’écart des démarches opérées par les éleveurs nivernais. Ils sont par ailleurs peu favorables au croisement de leurs animaux avec des durhams. La réaction a lieu en 1887, lorsque naît à Charolles le Herd-book de la race bovine charollaisepure sur l’initiative de la société d’agriculture de Charolles et du Conseil général de Saône-et-Loire. L'utilisation de l'adjectif « pure » vise notamment à dénoncer le fait que les animaux élevés dans le Nivernais avaient gardé les traces des croisements avec la durham.
Après une première tentative de rapprochement qui échoue, il faut attendre 1920 pour que la fusion des deux livres généalogiques soit opérée pour former le herd-book charolais, avec une race charolaise à la « robe uniformément blanche ou quelques fois crème, sans tache ». À ce moment, 269 élevages, comprenant 2 640 animaux, sont inscrits. La progression est assez lente entre les deux guerres, et prend finalement son essor à partir des années 1950.
Après l'échec de l'amélioration du cheptel par les croisements avec les animaux anglais, les éleveurs décident rapidement d'améliorer les qualités d'animaux homogènes. Le herd-book, garant de l'origine des animaux, joue un rôle important dans cette politique d'amélioration de la race. À la fin du XIXe siècle, ce sont les qualités bouchères des animaux qui sont améliorées, notamment grâce aux concours qui ont récompensé les meilleurs animaux du point de vue de la conformation. À partir du XXe siècle, les enjeux économiques s'immiscent de plus en plus dans la politique d'amélioration de la race. Il ne s'agit plus simplement de produire plus de viande, mais de la produire à moindre coût. Les éleveurs doivent prendre en compte la croissance des animaux. Au cours de la deuxième partie du XXe siècle, de nouvelles techniques se développent qui permettent d'améliorer plus facilement la génétique des animaux, comme l'insémination artificielle ou la transplantation embryonnaire. C'est à cette période que s'est construit le programme de sélection de la race, sous l'égide du herd-book charolais, mais également de Charolais France.
La base de ce programme de sélection réside avant tout dans le choix des animaux qui seront destinés à la reproduction. Le tri des meilleurs animaux du point de vue génétique passe tout d'abord par l'évaluation individuelle des animaux et implique différentes mesures. C'est le contrôle de performances qui est chargé de ce travail. Les animaux sont pesés à 120 jours et 210 jours, de façon à ce que l'on puisse comparer les résultats obtenus à des âges similaires, et ils sont pointés. Le pointage consiste en une description de l'animal, de façon à apprécier notamment sa conformation musculaire, son développement squelettique et ses caractéristiques raciales. À partir des données recueillies lors du contrôle des veaux, 8 000 des 127 000 vaches inscrites au herd-book charolais sont qualifiées d'après les performances d’au moins trois de leurs veaux et se voient attribuer le qualificatif de reproductrice reconnue.
Les taureaux font l'objet d'une sélection plus approfondie. En effet, il n'y a pas besoin d'un très grand nombre de taureaux pour assurer la fertilisation des femelles, un taureau pouvant saillir plusieurs femelles, voire des milliers dans le cas de l'insémination artificielle. Comme les besoins en nombre sont faibles, on peut se permettre d'appliquer une sélection plus stricte qui passe par une meilleure connaissance des qualités génétiques des animaux. Pour cela, on repère les meilleurs veaux au moment du sevrage, et on les rassemble en station d'évaluation. Cela permet notamment d'élever les animaux dans des conditions strictement identiques, et de pouvoir comparer leurs performances sans biais possible. Ce ne sont pas moins de 600 jeunes mâles qui sont évalués dans les 8 stations d'évaluations de la race, localisées à Nouhant dans la Creuse, à la ferme du Marault à Magny-cours dans la Nièvre, à Créancey en Côte d'Or, à Bressuire dans les Deux-Sèvres, à Sommepy-Tahure dans la Marne, à Jalogny en Saône-et-Loire et à Migennes et Charmoy dans l'Yonne. Les animaux passent cinq mois et demi dans ces stations, période durant laquelle on mesure leur croissance, leur développement squelettique, leur développement musculaire et leur efficacité alimentaire. Les meilleurs d'entre eux sur ces critères sont qualifiés, et la plupart d'entre eux sont destinés à alimenter les élevages en taureaux de monte naturelle.
Pour atteindre un niveau de précision encore plus important dans la connaissance de la valeur génétique des animaux, 130 jeunes mâles, sélectionnés sur leur ascendance, font l'objet d'un programme de sélection visant à choisir les taureaux qui seront utilisés pour l'insémination artificielle. Ces animaux sont eux-aussi contrôlés en station, puis les 45 meilleurs taureaux à la sortie de la station sont évalués sur leur descendance. Cela consiste à faire reproduire ces taureaux, puis de mesurer avec précision les performances de leurs descendants afin d'en déduire leur valeur génétique, estimée par une valeur nommée index et calculée par l'INRA à partir de l'ensemble des données récoltées sur l'animal, avec plus de précision. Ainsi, on réalise 300 inséminations artificielles dites de testage pour chacun des taureaux à tester. À la naissance des veaux, on étudie les conditions dans lesquelles se réalise le vêlage afin d'évaluer le taureau sur la facilité de naissance de ses veaux. Au sevrage de ces veaux, les femelles sont dirigées vers la station d'évaluation d'Agonges dans l'Allier. Là, elles sont élevées dans l'optique de vêler à 2 ans. Au cours de leur séjour dans la station, on s'intéresse particulièrement à leur croissance et leur morphologie, à leur fertilité et à leurs aptitudes au vêlage et à l'allaitement. Les résultats de ces génisses vont permettre d'attribuer la qualification « qualités maternelles » à certains de leurs pères. Les mâles issus des inséminations de testage sont eux dirigés vers les stations de Lempdes dans le Puy-de-Dôme et de Pont-Sainte-Marie dans l'Aube.
La sélection vise aujourd'hui à améliorer la facilité de naissance des veaux. En effet, il arrive qu'on reproche à la vache charolaise de vêler parfois avec difficulté et qu'une intervention par césarienne soit de temps en temps nécessaire. De nombreux efforts ont d'ores et déjà permis d'améliorer la situation, mais il convient encore de repérer les lignées à problème de vêlage, et à mettre à disposition des éleveurs des taureaux d'insémination à vêlage facile, afin notamment d'éviter que les éleveurs mettent leurs génisses à la reproduction avec des animaux d'autres races. Par ailleurs, les objectifs de sélection sur la période 2000-2010 sont de favoriser l'amélioration des pieds, la fertilité, la production laitière, la rusticité (notamment à travers les aplombs), la capacité de croissance et le rendement des carcasses.
Certains éleveurs s'attachent aussi à développer une lignée sans corne, par mutation génétique. L'absence de corne assure une plus grande sécurité pour l'homme et limite les risques lors d'éventuels combats entre les animaux. Les animaux sans cornes sont de plus en plus présents dans les manifestations et concours liés à la race.
Des modifications vont également concerner le schéma de sélection. Actuellement les organismes en charge de la race s'intéressent à la mise en œuvre d'un contrôle sur descendance des qualités maternelles des animaux destinés à l'insémination artificielle ; ce contrôle doit être intégralement effectué à la ferme. Les éleveurs vont gérer les génisses issues de testage de la même manière que les autres animaux de l'exploitation et les mesures (pointage, croissance) vont avoir lieu dans l'exploitation ; elles doivent concerner l'ensemble des animaux contemporains aux génisses de testage, afin de pouvoir effectuer des comparaisons et calculer les index. Ainsi, la station d'évaluation d'Agonges ne devrait plus être en service à partir de 2011.
Enfin, les éleveurs cherchent à se doter de nouveaux outils pour la sélection tels que les locus de caractères quantitatifs (LCQ), gènes particulièrement intéressants qui permettraient de pratiquer la sélection assistée par marqueurs (SAM) comme elle existe déjà pour les races laitières. De nombreux programmes de recherche tentent de trouver de tels marqueurs génétiques pour les races bovines à vocation bouchère.