郭嵩燾在英法兩國前後呆了三年（1876—1879年）。那是中國的第一個駐外使館，該幹些什麼都沒譜。用今天的標準來看，郭雖然六十歲的高齡，一個人兼任了政務、商務、科技、教育、文化參讚和武官的所有責任。
郭發現用國際法和洋人打交道居然能屢屢得勝，他開始悉心研究，建議總理衙門編纂《通商則例》發給各省並各國駐華公使，使在處理外交事務時有所參本。郭在倫敦還一度被推為國際法改進協會副主席。
1877年（光緒三年）5月，劉步蟾、方伯謙、嚴複等人作為海軍留學生，在監督李鳳苞的帶領下到達英國。抵英次日，郭嵩燾便在公使館中設宴，為李鳳苞等洗塵。在郭嵩燾的安排下，這些留學生一部分被分派至英國艦隊中，另一部分則考入了皇家海軍學院，此後成了公使館的常客。在郭嵩燾的日記中，詳細記錄了他們之間的多次談話。郭嵩燾經常閱讀留學生們的日記，留學生們在留學心得中講，英國人的微積分學、新學、力學等，都是以前沒有讀過的，現在學了這些，不啻事半功倍。郭嵩燾感慨地說：就憑這個也能證明出洋留學的好處實在不少啊！1878年，郭遇到海軍留學生嚴複，成忘年之交。郭嵩燾在英國訪問期間，了解到很多身居英國的中國人的利益受到侵犯力量孤單申訴無門，同年上奏清廷，建議在華僑集中的各埠設領事館以護僑，該建議得到清廷讚賞，翌年即在新加坡、舊金山、橫濱等地設立領事館，以盡護僑的責任。今天世界各大埔的領事們不知還有多少人記得當初設領館的由來。
郭還沒忘記處江湖之遠則憂其君，1877年春把在英法的見聞盡快報告總理衙門和皇上。他把起程赴任從上海到倫敦途中五十天的日記，鈔寄總理衙門，以《使西紀程》書名刊行，此書極力稱讚西方社會及其科技文明。他沒有想到此書引起的反響。郭還說把西方強盛歸結於船堅炮利是錯的，中國如果單純學習西方兵學技術以求自強，恐適足以適敝履，隻有學習西方的政治和經濟，“通商賈之氣，以立循用西方之基”。
年逾花甲、讀了大半輩子儒家經典、頭腦裏塞滿了陳腐觀念的郭嵩燾，現在卻敢於承認西方的先進與中國的落後，而且承認得這樣徹底，這在當時需要驚人的勇氣。
郭嵩燾曾把使英途中見聞逐日詳記輯為《使西紀程》一書，內容有稱讚西洋政教修明、中國應采用其治國之道等話語。他將書寄回中國後，呈總理衙門刊刻，一時激起滿朝士大夫公憤，要求將其撤職查辦。翰林院編修何金壽參劾他“有二心於英國，想對英國稱臣”；結果此書被清廷申斥毀版，嚴禁流行。在當時的條件下，就郭嵩燾所屬的那個社會階層而言，他已經走得太遠。這使他難安其位，不斷受到攻擊，而最為惡毒的攻擊便來自他的副手劉錫鴻。
在劉錫鴻的筆下，郭嵩燾的最大“罪狀”有三：披外國人的衣物、向其他國君主起立致敬、聽音樂會時效仿洋人索取節目單。由此足見當時國人愚昧之深。劉還秘密彈劾郭嵩燾“十款”罪狀，極盡羅織誣陷之能事。劉錫鴻指責郭嵩燾的“罪狀”，其實都合乎國際禮儀，這反而印證了英國人稱郭嵩燾為“所見東方最有教養者”的讚譽。由於清朝守舊勢力過於強大，從朝廷到京師大夫對郭嵩燾一片唾罵指責之聲，他隻得在任期未滿（僅僅一年零七個月）之時，奏請因病銷差，清廷立即同意並派曾紀澤接任。
郭嵩燾於1879年5月5日乘船到達長沙。當時湘陰正好發生守舊排外風潮，形勢頗為緊張，連用西洋小火輪拖帶的木船都受到長沙、善化兩縣國人的阻攔，大罵郭嵩燾“勾通洋人”的標語貼滿了大街。
出使之日，郭嵩燾曾經壯誌滿懷，期望以此行引進西方治國之道，使中華屹立於世界民族之林，無奈铩羽而歸。郭嵩燾在唾罵聲中出使，又在唾罵聲中回國。他已失去繼續奮鬥的信心，回國後便歸隱鄉裏。盡管郭嵩燾欽差使臣的官銜暫時尚未解除，但自巡撫以下的地方官員都對他傲慢異常。郭嵩燾死後，雖有官員請旨按慣例賜諡立傳，也都被清廷否決。
直到他死後9年，義和團運動高漲之際，還有京官上奏要求開棺鞭戮郭嵩燾的屍身，以謝天下。晚年時，郭嵩燾曾三次申請開辦輪船公司，但終歸化為泡影。他自信：“流傳百代千年後，定識人間有此人。”