同治十三年，洋務派與頑固派繼同治六年有關同文館招生問題辯論後，再一次展開大辯論。爭論的中心問題是製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、等餉、用人、持久”六條措施。李鴻章是“六條”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；兩派經過一場激論鬥爭後，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。
光緒三年（1877），李鴻章設開平礦務局，開采直隸唐山地區的煤炭，光緒七年正式出煤，年產量三萬多噸。當年，在奕的暗中慫恿下，他先斬後奏修建唐山至骨各莊的鐵路。光緒十二年又向西延長到蘆台，長85公裏，光緒十三年，李鴻章在天津設置鐵路公司進行運營。第二年，李鴻章主持將鐵路由蘆台又向西延長至天津，光緒二十年，開灤煤礦年產量已發展到70萬噸，相當於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（zhàn），在中國近代影響非常大。
另外，在工業、交通等方麵李鴻章又取得了一係列的成就。光緒五年李鴻章設天津電報局，在國內設七個分局，經過數年的努力，初步形成了能通達半個中國的電報網；光緒七年，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；光緒十四年，在黑龍江設漠河礦務局，在當地采金。年產量近兩萬兩。擠走了沙俄搶掠全國黃金的“采礦事務所”。
基於“自強”、“求富”的需要，李鴻章在引進“製器之器”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“製器之人”，即大批掌握科學技術知識的新式人才。在同治六年的辯論中，他主張科舉專設傳授和學習各種製造技術一科，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，先後創辦了外國語學校、江南製造局附設機械學校、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。同治十年，李鴻章在天津大沽口添置新式炮台，當年又調江南和福州船廠的兩隻船到天津巡海。同治十三年丁日昌建議設北洋、東洋、南洋三支海軍，李鴻章予以堅決支持。光緒四年清政府決定先設北洋水師，以後再建東洋、南洋水師。年底，李鴻章向英國購買四條炮艦，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。光緒十一年，清政府正式設海軍衙門，由奕任總理大臣，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利幾年中添置了十餘艘新船。光緒十四年，北洋海軍正式成立。艦隊中有排水量達七千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隻近五十艘，力量在當時已經超過了日本。然而由於北洋海軍建軍以後，為籌備甲午年慈禧太後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，在火力和速度等方麵，不久就超過了北洋艦隊。