Ett nytt betygssystem kommer att använda siffror istället för bokstäver, och kursarbetet skrotas för de flesta ämnen.
Förändringarna kommer att ske stegvis, med start med elever som ska ta GCSE-prov 2017. De som fyller 13 i detta läsår blir de första.
Engelska och matematik kommer att vara de första ämnen som påverkas.
Eleverna kommer att börja studera de nya kurserna i engelska, engelsk litteratur och matematik hösten 2015.
Och cirka 20 andra populära GCSE ämnen kommer att omarbetas på samma sätt, redo för undervisning ett år senare, 2016, med de första proven för dem som togs 2018.
Ändringarna gäller endast England. Wales planerar sin egen omskakning av GCSE, men Nordirland planerar inga förändringar. Skottland har sitt eget examenssystem.
Medan de kommer in kommer elever i England att ha några prov graderade med siffror och en del med bokstäver, vilket leder till att lärarfack för att varna för detta kommer att vara förvirrande för elever, föräldrar och arbetsgivare.
De aviserade GCSE-ändringarna gäller endast elever i England.
Skottland har ett eget examenssystem, men Wales och Nordirland använder också GCSE.
Wales planerar också en omskakning, med egna nya GCSEs i matematik, engelska och walesiska, som kommer att undervisas från hösten 2015.
I Nordirland planeras inga förändringar av GCSE. I en nyligen genomförd översyn drogs slutsatsen att det inte fanns något skäl att ersätta A-nivåer eller GCSE på kort eller medellång sikt.
Proven betygsätts från 1 till 9, och 9 är de högsta. Elever som misslyckas kommer att tilldelas ett "U" för ett oklassificerat resultat.
Alla tentor kommer att tas efter två års studier, snarare än i moduler som tas i olika stadier under två år, vilket innebär en återgång till formatet för O-nivåer, som pre-daterade GCSEs.
Och det kommer att finnas fler märken för stavning, interpunktion och grammatik.
Chefen för Ofqual, Glenys Stacey, sa att förändringarna var "grundläggande".
"Detta är den största förändringen i en generation", sade hon. "De [GCSEs] har funnits i över 25 år men nu ser vi färskt innehåll, en annan struktur, högkvalitativ bedömning kommer in.
"Det är en betydande förändring för elever och skolor."
Stacey sade att övergången till ett numeriskt system innebar att ett nytt betyg lades till och att det skulle hjälpa examinatorerna att skilja mellan kandidaternas prestationer - särskilt i toppklasserna.
Hon föreslog att flytten från traditionella betyg kunde vara svår att förstå, men var viktig.
"De nya kvalifikationerna kommer att vara betydligt annorlunda och vi måste signalera detta tydligt", sade hon.
Samtidigt bekräftar regeringen förändringar i vad som ska studeras i engelska, engelsk litteratur och matematik, eftersom genomgången av tentor omfattar både vad som studeras och hur det bedöms.
Det står i engelsk litteratur att studenterna måste "studera hela texter i detalj, som omfattar en rad olika litteraturer, däribland Shakespeare, 19th Century romaner, romantisk poesi och andra högkvalitativa fiktioner och drama.
Den nya matte examen kommer att täcka fler ämnen och kommer att vara mer utmanande, säger regeringen. Detaljer släpptes på fredag morgon.
För matematik är Ofqual att behålla det nuvarande arrangemanget där elever kan skrivas in för antingen en högre- eller lägre nivå uppsats i matematik, beroende på deras förmåga.
Men på engelska, den divisionen har skrotats och en examen kommer att tas av alla.
För närvarande kan studenter som är inskrivna för enklare uppsatser endast få maximalt betyg C.
Regeringen säger att unga människor svikits av det gamla examenssystemet; att frekventa tester innebar att inte tillräckligt med tid ägnades åt "djupt lärande" och att man inte ägnade tillräcklig uppmärksamhet åt grammatik, stavning och interpunktion.
Skolminister Elizabeth Truss säger att förändringarna kommer att förbättra elevernas "kärnkompetens" i matematik och engelska och öka förväntningarna.
"Vad vi vill göra är att uppmuntra skolor att fokusera på de grundläggande färdigheter som arbetsgivarna verkligen vill ha, eftersom det är det som kommer att hjälpa våra barn att få jobb när de lämnar skolan", sade hon.
Rektorernas representant, föreningen för skola och högskola ledare (ASCL), gav vad den sade var ett "försiktigt välkomnande" till förändringarna.
Biträdande generalsekreterare Malcolm Trobe sade: " Det finns mycket att välkomna i dagens tillkännagivande, särskilt det väl avvägda synsättet Ofqual har tagit sig an denna viktiga uppgift.
Detta meddelande förseglar införandet av förändringar som har varit på gång ett tag.
Rörelserna innebär en stor strukturell förändring av Englands examenssystem och signalerar en tydlig brytning från den tidigare situationen när studenter i England, Wales och Nordirland satt liknande former av GCSE.
Steget mot "linjär" bedömning, där allt vilar på prov tagna i slutet av två år, är redan på gång, men tillkännagivandet av avlägsnande av kursarbete från de flesta GCSE ämnen cement som.
När lärare, elever och föräldrar blickar framåt, kanske de undrar om förändringarna skulle överleva någon förändring i regeringen.
Allmänna val är planerade till maj 2015 - månader innan undervisningen för dessa nya kurser börjar.
Ofquals Glenys Stacey säger att det finns en "stor enighet om att GCSE behöver reformeras" och att hon inte känner "starkt motstånd" mot förändringarna från politiker.
Men det finns helt klart punkter där parterna skiljer sig åt.
"Vi har alltid varit överens om att GCSE kan förbättras för att bättre förbereda studenter för att möta behoven i världen vi lever i idag.  Men den ständiga mixtringen med GCSE har vi haft tidigare inte varit till någon hjälp."
Fackföreningar som företräder klassrumslärare varnade för att en övergång från kursarbete och olika examensnivåer för olika förmågor skulle kunna skada vissa elevers utbildning.
Gymnasielärare och talesman för föreningen för lärare och lektorer, Jovan Trkulja, sade att mindre kompetenta elever kunde lida.
– Exams är utmanande och de bör fortsätta att vara utmanande. Men vi måste komma ihåg att sätta toppen av berget som baslinje innebär att någon måste falla efter, och jag känner för känslan av misslyckande för de mindre kapabla," sade han.
Shadow Schools minister, Labour MP Kevin Brennan, sade att han hade "reservationer" om vissa aspekter av förändringarna och att övergången till ett numrerat betygssystem var ett steg tillbaka till 1970-talet.
Han sa att han höll med om att pendeln "kanske har svängt lite för långt på kursarbete", men det fanns nu en risk att "det kommer att svänga för långt åt andra hållet".
"Att ha allt satsat på ett slutprov är inte bra för alla elever", sade han.
Examina regulator Ofqual har bekräftat de förändringar den gör till GCSEs, i vad den kallar den största omskakningen av tentor i England för en generation.