同治元年，李鸿章抵达上海，担任江苏巡抚兼通商大臣后，便与洋人展开了频繁的交流与合作。同治二年，他在松江设立了弹药厂，并在攻占苏州后将其迁至苏州，并改名为洋炮局。同治四年，他担任两江总督时，将工厂迁至南京，成立了金陵制造局，专门为淮军及本省各防营提供枪支、炮弹、火药等物资。李鸿章在接下来的三十多年里，一直致力于洋务运动。在当时的地主阶级统治成员中，李鸿章代表的洋务派是最积极学习外国科学技术的一群人。
在洋务派中，李鸿章经营的军工企业数量最多，规模也最大。除了金陵制造局外，还有江南制造总局和天津机器局。同治四年，他购买了上海虹口的美商铁厂，并将其与原属清政府的两个小炮厂合并，成立了江南制造总局，经过多年的发展，成为洋务派最大的军工企业。这个兵工厂生产枪支、炮弹、弹药、水雷等武器，设备主要从美国进口，并聘请了来自英、美、德等国的技师。
同治五年，由于厂址狭小，江南制造总局从虹口迁至高昌庙，并不断扩充，建立了汽炉、轮船、枪炮、弹药、水雷、炼钢等14个分厂和1个译书局，员工人数最多时达到几万人。在几十年中，江南制造局制造了大量武器，并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、机械等方面取得了很高成就。
李鸿章调任直隶总督兼北洋大臣时，接手了天津机器局。他对原厂人员进行调整，扩充和整顿了工厂，并从香港请来许多技术工人。这个工厂主要生产枪支、炮弹、水雷、子弹等，设备主要从英国进口，规模仅次于江南制造局。
由于军事工业筹措经费困难，洋务派广开财源，兴办了许多民用工业。在民用企业中，李鸿章经手兴办的企业最多，有些是在没有得到清廷允准的情况下擅自兴办起来的。同治十一年，他在上海设立了轮船招商局，并起用了唐廷枢、徐润、郑观应等人主持局务。招商局的开办，不仅扩大了财源，还打破了外国轮船公司对中国航业的垄断。
同治十三年，洋务派与顽固派再次展开大辩论，争论的中心问题是制造洋船洋器和筹备海防问题。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，用西档瞎法采煤、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，李鸿章设立了开平矿务局，开采直隶唐山地区的煤炭。光绪七年，正式出煤，年产量达到3万多吨。在奕欣的暗中支持下，他修建了唐山至芦台的铁路。光绪十二年，铁路向西延长至天津。光绪二十年，开滦煤矿年产量已发展到70万吨，成为洋务派所办煤矿中最大和成果最好的一个。
此外，李鸿章在工业、交通等方面取得了一系列成就。光绪五年，他设立了天津电报局；光绪七年，在上海建立了机器织布局；光绪十四年，在黑龙江设立了漠河矿务局。
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，他在天津大沽口添置新式炮台。同治十三年，他坚决支持丁日昌建议设立北洋、东洋、南洋三支海军。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，他向英国购买四条炮舰，并任命丁汝昌留北洋差遣，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，他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，由奕欣任总理大臣，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十余艘新船。光绪十四年，北洋海军正式成立。舰队中有排水量达七千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五十艘，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六十寿辰，海军经费大部分被挪用修建颐和园，舰队无法再进行更换和扩充。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。
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