同治元年，李鴻章率淮軍到上海，署理江蘇巡撫兼通商大臣后，在上海與洋人展開了頻繁的接觸與聯合。

同治2年，李鴻章曾在松江設立彈藥廠，攻陷蘇州后，把彈藥廠遷到蘇州，改為洋炮局。同治4年，署理兩江總督時又搬到南京，成立金陵制造局，專門生產槍、炮、子彈、火藥，供應淮軍及本省各防營。李鴻章在此基礎上，搞了30多年洋務。在當時的地主階級統治成員中，以李鴻章為代表的洋務派是最主動學習外國科學技術的。在洋務派中，李鴻章辦的軍工企業最多，規模也最大，除金陵制造局外，還有江南制造總局，天津機器局。

同治4年，李鴻章購買了上海虹口的美商鐵廠，很快又并入原屬清政府的2個小炮廠，設立了江南制造總局，若干年后經過發展成為洋務派最大的軍工企業。這個兵工廠生產槍、炮、彈藥、水雷等武器，其設備是從美國進口，并雇請英、美、德等國技師。同治5年，由于廠址狹小，又從虹口遷到高昌廟。及后不斷擴充，先后建了汽爐、輪船、槍炮、彈藥、水雷、煉鋼等14個分廠和1個譯書局，人員最多時達幾萬人。在幾十年中，江南制造局制造了不少武器，譯書局也翻譯了一批國外科技圖書。在總局工作的中國工程技術人員徐壽、華衡芳等人，在數學、化學、機械等方面都取得了很高的造詣。

李鴻章調直隸總督兼北洋大臣時，接手了天津機器局。他首先對原廠的人員進行調整，并做了擴充和整頓，換上了不少自己的親信，又從香港請來很多技術工人。該廠主要生產槍、炮、水雷、子彈、開花彈等，設備購自英國，這個廠的規模僅次于江南制造局。

由于軍事工業籌措經費困難，洋務派就廣開財源“求富”。他們辦起了許多民用工業。在民用企業中，又以李鴻章經手興辦的為多，有許多企業是他利用自己的地位在沒有得到清廷允準的條件下，擅自興辦起來的。

同治11年，李鴻章在上海設輪船招商局，先后起用買辦出身而又諳熟技術管理的唐廷樞、徐潤、鄭觀應等人主持局務。以后他還在天津、漢口、廣州、香港等地設立分局。招商局的開辦，雖然目的在于擴大財源，但卻突破了外國勢力對中國航業的壟斷。開業的3年，招商局擠掉了外國輪船公司1300萬兩白銀的利潤的市場份額，迫使美國旗昌洋行退出競爭。

同治13年，洋務派與頑固派繼同治6年有關同文館招生問題辯論后，再一次展開大辯論。爭論的中心問題是制造洋船洋器和籌備海防問題。總理衙門先提出“練兵、簡器、造船、籌餉、用人、持久”6條措施。李鴻章是“6條”最有力的支持者與倡導者，他主張建立新式海軍，各省配備近代武器，用西法采煤、建鐵路，培養和選拔具有近代科學知識的人才；兩派經過一場激論斗爭后，以李鴻章為代表的洋務的意見占了上風。當年李鴻章被授文華殿大學士。

光緒3年，李鴻章設開平礦務局，開采直隸唐山地區的煤炭，光緒7年正式出煤，年產量3萬多噸。當年，在奕祈的暗中慫恿下，他先斬后奏修建唐山至骨各莊的鐵路。光緒12年又向西延長到蘆臺，長85公里，光緒13年，李鴻章在天津設置鐵路公司進行運營。第2年，李鴻章主持將鐵路由蘆臺又向西延長至天津，光緒20年，開灤煤礦年產量已發展到70萬噸，相當于現在的一個中型煤礦。這是洋務派所辦煤礦中最大和成果最好的一個。這個煤礦采用機器采煤，逐漸配備了鐵路、運河、專用碼頭及貨棧，在中國近代影響非常大。

另外，在工業、交通等方面李鴻章又取得了一系列的成就。光緒5年李鴻章設天津電報局，在國內設7個分局，經過數年的努力，初步形成了能通達半個中國的電報網；光緒7年，在上海建立機器織布局，由鄭觀應負責，聘請美國人任教習，開中國人機器織布先河；光緒14年，在黑龍江設漠河礦務局，在當地采金。年產量近2萬兩。擠走了沙俄搶掠全國黃金的“采礦事務所”。

基于“自強”、“求富”的需要，李鴻章在引進“制器之器”創辦軍工企業、民用工業企業的同時，還試圖推進科舉改革，培養“制器之人”，即大批掌握科學技術知識的新式人才。在同治6年的辯論中，他主張科舉專設傳授和學習各種制造技術一科，單獨取士。雖未獲準實行，但他在自己所設的上海廣方言館中，不僅讓學生學外語，還開設了自然科學課程，這對中國傳統的教育無疑是一個突破。由此李鴻章大興新式學校，先后創辦了外國語學校、江南制造局附設機械學校、天津水師學堂、天津武備學堂、天津軍醫學堂、天津電報學校；他還主張向歐美的幾個國家派遣了少量留學生，這是中國派出留學生的先聲。通過這些新式學校和留學生，一大批中國近代知識分子和專業技術人才被培養出來。

在軍事上，李鴻章除用最先進的近代武器裝備自己的淮軍外，最令舉世矚目的是創辦了北洋海軍，這是李鴻章興辦洋務的主要目的。同治10年，李鴻章在天津大沽口添置新式炮臺，當年又調江南和福州船廠的兩只船到天津巡海。同治13年丁日昌建議設北洋、東洋、南洋3支海軍，李鴻章予以堅決支持。光緒4年清政府決定先設北洋水師，以后再建東洋、南洋水師。年底，李鴻章向英國購買4條炮艦，報請由記名提督丁汝昌留北洋差遣，在天津設水師營務處，以道員馬建忠負責海軍日常事務。次年，命人設計出黃地藍龍紅珠的長方形海軍旗。光緒11年，清政府正式設海軍衙門，由奕祈任總理大臣，李鴻章任會辦大臣，實權由李鴻章掌握。李鴻章憑借手中的權力幾年中添置了10余艘新船。光緒14年，北洋海軍正式成立。艦隊中有排水量達7千多噸的主力鐵甲艦定遠號、鎮遠號，還有各種巡洋艦、炮艦、練習艦、魚雷艇及各種雜差船只近50艘，力量在當時已經超過了日本。然而由于北洋海軍建軍以后，為籌備甲午年慈禧太后60大壽慶典，海軍經費大部分被挪用修建頤和園，艦隊沒辦法再加更換和擴充。而日本則針對中國的海軍水平，組建了新艦隊，在火力和速度等方面，不久就超過了北洋艦隊。

光緒20年中日甲午戰爭爆發，李鴻章苦心經營的淮軍一敗不可收拾，北洋艦隊也全軍覆沒，李鴻章洋務運動的軍事目的宣告破產，李鴻章權傾朝野的日子也宣告從此結束。然而李鴻章在創辦軍用、民用工業企業，發展教育、交通、通訊等領域開中國近代化的功勞，卻是不可磨滅的。