同治元年，李鸿章率淮军到上海，署理江苏巡抚兼通商大臣后，在上海与洋人展开了频繁的接触与联合。
同治二年，李鸿章曾在松江设立弹药厂，攻陷苏州后，把弹药厂迁到苏州，改为洋炮局。同治四年，署理两江总督时又搬到南京，成立金陵制造局，专门生产枪、炮、子弹、火药，供应淮军及本省各防营。李鸿章在此基础上，搞了30多年洋务。在当时的地主阶级统治成员中，以李鸿章为代表的洋务派是最主动学习外国科学技术的。在洋务派中，李鸿章办的军工企业最多，规模也最大，除金陵制造局外，还有江南制造总局，天津机器局。
同治四年，李鸿章购买了上海虹口的美商铁厂，很快又并入原属清政府的2个小炮厂，设立了江南制造总局，若干年后经过发展成为洋务派最大的军工企业。这个兵工厂生产枪、炮、弹药、水雷等武器，其设备是从美国进口，并雇请英、美、德等国技师。同治5年，由于厂址狭小，又从虹口迁到高昌庙。及后不断扩充，先后建了汽炉、轮船、枪炮、弹药、水雷、炼钢等14个分厂和1个译书局，人员最多时达几万人。在几十年中，江南制造局制造了不少武器，译书局也翻译了一批国外科技图书。在总局工作的中国工程技术人员徐寿、华衡芳等人，在数学、化学、机械等方面都取得了很高的造诣。
李鸿章调直隶总督兼北洋大臣时，接手了天津机器局。他首先对原厂的人员进行调整，并做了扩充和整顿，换上了不少自己的亲信，又从香港请来很多技术工人。该厂主要生产枪、炮、水雷、子弹、开花弹等，设备购自英国，这个厂的规模仅次于江南制造局。
由于军事工业筹措经费困难，洋务派就广开财源””求富””。他们办起了许多民用工业。在民用企业中，又以李鸿章经手兴办的为多，有许多企业是他利用自己的地位在没有得到清廷允准的条件下，擅自兴办起来的。
同治十一年，李鸿章在上海设轮船招商局，先后起用买办出身而又谙熟技术管理的唐廷枢、徐润、郑观应等人主持局务。以后他还在天津、汉口、广州、香港等地设立分局。招商局的开办，虽然目的在于扩大财源，但却突破了外国势力对中国航业的垄断。开业的3年，招商局挤掉了外国轮船公司1300万两白银的利润的市场份额，迫使美国旗昌洋行退出竞争。
同治十三年，洋务派与顽固派继同治六年有关同文馆招生问题辩论后，再一次展开大辩论。争论的中心问题是制造洋船洋器和筹备海防问题。总理衙门先提出””练兵、简器、造船、筹饷、用人、持久””6条措施。李鸿章是””6条””最有力的支持者与倡导者，他主张建立新式海军，各省配备近代武器，用西法采煤、建铁路，培养和选拔具有近代科学知识的人才；两派经过一场激论斗争后，以李鸿章为代表的洋务的意见占了上风。当年李鸿章被授文华殿大学士。
光绪三年，李鸿章设开平矿务局，开采直隶唐山地区的煤炭，光绪七年正式出煤，年产量3万多吨。当年，在奕祈的暗中怂恿下，他先斩后奏修建唐山至骨各庄的铁路。光绪十二年又向西延长到芦台，长85公里，光绪十三年，李鸿章在天津设置铁路公司进行运营。第2年，李鸿章主持将铁路由芦台又向西延长至天津，光绪二十年，开滦煤矿年产量已发展到70万吨，相当于现在的一个中型煤矿。这是洋务派所办煤矿中最大和成果最好的一个。这个煤矿采用机器采煤，逐渐配备了铁路、运河、专用码头及货栈，在中国近代影响非常大。
另外，在工业、交通等方面李鸿章又取得了一系列的成就。光绪五年李鸿章设天津电报局，在国内设7个分局，经过数年的努力，初步形成了能通达半个中国的电报网；光绪七年，在上海建立机器织布局，由郑观应负责，聘请美国人任教习，开中国人机器织布先河；光绪十四年，在黑龙江设漠河矿务局，在当地采金。年产量近2万两。挤走了沙俄抢掠全国黄金的””采矿事务所””。
基于””自强””、””求富””的需要，李鸿章在引进””制器之器””创办军工企业、民用工业企业的同时，还试图推进科举改革，培养””制器之人””，即大批掌握科学技术知识的新式人才。在同治六年的辩论中，他主张科举专设传授和学习各种制造技术一科，单独取士。虽未获准实行，但他在自己所设的上海广方言馆中，不仅让学生学外语，还开设了自然科学课程，这对中国传统的教育无疑是一个突破。由此李鸿章大兴新式学校，先后创办了外国语学校、江南制造局附设机械学校、天津水师学堂、天津武备学堂、天津军医学堂、天津电报学校；他还主张向欧美的几个国家派遣了少量留学生，这是中国派出留学生的先声。通过这些新式学校和留学生，一大批中国近代知识分子和专业技术人才被培养出来。
在军事上，李鸿章除用最先进的近代武器装备自己的淮军外，最令举世瞩目的是创办了北洋海军，这是李鸿章兴办洋务的主要目的。同治十年，李鸿章在天津大沽口添置新式炮台，当年又调江南和福州船厂的两只船到天津巡海。同治十三年丁日昌建议设北洋、东洋、南洋3支海军，李鸿章予以坚决支持。光绪四年清政府决定先设北洋水师，以后再建东洋、南洋水师。年底，李鸿章向英国购买4条炮舰，报请由记名提督丁汝昌留北洋差遣，在天津设水师营务处，以道员马建忠负责海军日常事务。次年，命人设计出黄地蓝龙红珠的长方形海军旗。光绪十一年，清政府正式设海军衙门，由奕祈任总理大臣，李鸿章任会办大臣，实权由李鸿章掌握。李鸿章凭借手中的权力几年中添置了10余艘新船。光绪十四年，北洋海军正式成立。舰队中有排水量达7千多吨的主力铁甲舰定远号、镇远号，还有各种巡洋舰、炮舰、练习舰、鱼雷艇及各种杂差船只近50艘，力量在当时已经超过了日本。然而由于北洋海军建军以后，为筹备甲午年慈禧太后60大寿庆典，海军经费大部分被挪用修建颐和园，舰队没办法再加更换和扩充。而日本则针对中国的海军水平，组建了新舰队，在火力和速度等方面，不久就超过了北洋舰队。