京師已經在同治元年，由恭親王奕等設立了外國語學校，稱為京師同文館。
同治二年，李鴻章聘請了江蘇名士馮桂芬來到他的江蘇巡撫的幕府。馮桂芬思想十分敏銳，好學深思，著有《校廬抗議》一書，是數十篇時論的合集，指陳中國應該進行改革的各項事務。
李鴻章日理萬機，仍抽空與這位學者交談。李鴻章與外人接觸多了，深感信息豐富和可靠的重要。人家外國的外交人員對中國語言不但掌握，甚至對中國的朝章、製度、吏製、民情有都能侃侃而談，而我們中國官員紳士們卻絕少有通曉外國語言文字的人。再說，中外之間的交涉總是靠著外國翻譯進行，難保這些翻譯不從中搞鬼，偏袒捏造，搬弄是非。
馮桂芬講，中國在上海和廣州等地也有專門從事口頭翻譯的“通事”，但這些人都沒有受過教育，卑鄙無恥，連洋人也看不起他們。用他們作翻譯更成了洋務的大害。他還告訴李鴻章，應該有科學意識。西洋人擅長科學，對於“測算之學、格物之理、製器尚象之法，無不專精務實，泐有成書”，翻譯到中國來的不過隻是十分之一、二而已。隻有讀盡他們沒有翻譯過來的那些書，才能探索科學的本源，由粗淺而入於精微。如果能精通西文，互相傳授，把一切輪船、軍火技術都弄明白，“於中國自強之道，似有裨助。”
李鴻章說，對！恭親王在北京辦的好，但是那裏每次隻計劃招10個人，太少了，而且光從八旗子弟中招收，範圍也太窄了。我們也要辦一座新式學校，不論八旗人，還是漢人的子弟都可以來學，這才能培養人才。李鴻章軍務十分繁忙，就請馮桂芬代筆擬稿，然後略加點染。另請馮桂芬擬定章程12條。
正月二十二日（1863年3月11日），李鴻章以江蘇巡撫身份上奏，請示仿照京師同文館的榜樣，在上海和廣東開設外國語言文字學館。
辦學的目的是有助於自強之道。
具體辦法是，選擇十四歲以下兒童入學，聘請西方教師教學，用中國品學兼優的舉貢生員教學經、史、文藝。三年學成後，送於督府考試，及格者作為該縣的附學生。有初級功名如候補佐貳等官員，年齡小、聰穎而自願入學者可以送去一起學習。學成以後也酌情給予升級。
最後確定，招收學生40人，聘請英國學者2人為西教習，以舉貢生員四人為中教習，分別教授經學、史學、算學、詞章四門課。另以近郡品學兼優的紳士一人為總教習。三年以後畢業，能夠翻譯西書，文理斐然可觀的經過考試合格，可以作為附生，並可以送到各衙門作為翻譯官的人選。
此事由海關道督辦。目標是培養翻譯和研究西方科學的人才。 對於這項學習目標，李鴻章是很熱衷的。他給哥哥瀚章寫信說： 特設外國言語館於上海，選聘各國旅滬僑民，為之教授。 專授各國文字，養成外交人才，吾兄倘有意於此者，可命玉侄來申（上海簡稱為申）學習，將來為國家出力，此亦我李氏所欣幸也。
家信比章程說得更明確透徹。
二月十日（3月28日），奉旨準設，就將上海敬業書院改設為廣方言館。
上海和廣東相繼成立外國語學校後，恭親王奕受到鼓舞，進一步於同治五年十一月五日（1866年12月11日）奏請在北京同文館中添設天文學館，請洋人講授自然科學。
在李鴻章創立的江南製造局內，設立了西學館。同治八年，把上海廣方言館並入進來。主要設有國文、英文、法文、算學、輿地等課，學額為80名，學製為4年製。同治十三年又設立操炮學堂，至光緒初年改為炮隊營了。光緒二十四年局內又設了一座工藝學堂，分為化學工藝科和機器工藝兩科，學額為50名，4年製畢業。如同現大學的一所工學院。
同治九年（1870年），上海廣方言館並入江南機器製造局內，改名為翻譯館，以後它所編譯的書籍有數百種，可以考見的有七八十種。
同治七年（1868年），滬局設立翻譯學館，到清末，共譯出西書200種，絕大部分是科學書籍，有關史乘者不超過10部，政治經濟也不超過10部。有一部最大部頭的書籍是經長期編纂的西國近事彙編，共有108冊，是曆年編輯的國際形勢的雜誌，對於介紹世界知識給國人，有很大貢獻。科學書籍中以算學、物理、化學為最多，其次是工程、農學、醫學、地學、兵政。
譯書的方法很特別。認真而費時間。每種書都請西人口述，由華士進行筆錄，譯成以後，再按照中國語言習慣潤色加工。如仍辭不達意，再由雙方斟酌，改用別的方法表達。臨到刊刻前，凡重要的書籍還要再經口述者與筆錄者核對。遇到重要的圖板，則送到英國去用鋼版印刷。其銷售數量，從開始譯書到光緒六年，已達3.l萬餘部，計8.3萬冊。
製造局譯書館的譯書質量高，數量多。在庚子以前，全國各地的譯書沒有一個地方可以與之相比。因此“官紳文士購存者多”。北京同文館、上海、廈門、煙台等各地書院都采用滬局所出的數理書為教材。至於外國人所開的學校更廣為采用。
滬局的科學工者還把譯書工作推廣到社會上去。在上海成立一個“廣智書局”，主要由滬局中的西人和華士參與工作，也印了不少譯書。其中的骨幹分子是英國人傅蘭雅（JohnFryer）。上海總領事成立上海格致書院時，聘請滬局裏的洋員偉烈亞力、傅蘭雅和華員華衡芳、徐建寅等為董事。上海成立譯書公會時，是由滬局的華人趙元益主持，所譯多是西洋的政治類書籍。這時的譯書事業已經從單純地注意自然科學和工程類書籍，變為兼重社會科學書籍了。
譯本西書不僅為沿海一帶新式學校提供教材，為洋務企業事業單位提供重要參考材料，而且幾乎成為中國在光緒變法之前，思想界認識外國的唯一橋梁。康有為、梁啟超、譚嗣同等變法人物的新思想多是受到這些書籍的影響才產生的。
光緒六年三月二十日（1880年4月28日），李鴻章給黎兆棠一封信，說明要成立一所水師學堂的設想。談及必要性時，他說：北洋現在正逐漸購置新式戰艦，但管輪和駕駛的初級軍官們暫時要靠福州船政局撥給，這不但有人才不足之慮，而且如果水手也選用南方人，更可能造成人地兩生。出使大臣李鳳苞多次函稱嚴複堪當教師，而且福建人都很重視他，就請你把他派來，“允飭赴津，感盼之至”。他為什麼對嚴複如此大感興趣呢？嚴複原是福州船政學堂的高才生，被派到英國格林尼次海軍大學留學。留學期間，成績優異。李鴻章先前已經聽到郭嵩燾對他的讚美了。李鴻章愛才心切。嚴複一回國，李鴻章就迫不及待地調他。 嚴複也樂於到李鴻章的手下任職。因為李鴻章這時正是聲勢煊赫的時候，又是頭腦最開通的官員，估計到他手下可以大展才華。
夏季來臨。嚴複到了天津，李鴻章對他很信任。雖然在開始時期，在嚴複的上邊派了曾經做過船政大臣的吳讚誠來籌辦水師學堂，並進行管理，但實際上是嚴複在辦事。
七月十四日（8月19日），李鴻章正式上折，奏請籌辦天津水師學堂。十七日（8月22日），李鴻章籌辦水師學堂的要求被批準了。二十一日（26日），李鴻章給黎兆棠寫信表示感謝他撥給人才，並告訴他籌辦工作由吳讚誠督辦，嚴複已開始工作，其薪金從十月支給。到了後來，就幹脆讓嚴複主管這所學校了。
吳讚誠在天津機器局河東選定學堂基址，派人繪圖估料，興工建築，同時訂立學堂規條，招考學生。冬季來臨，吳讚誠回南方醫病，順便赴滬選拔學生。不巧舊病劇增，不能轉動，懇請辭職。李鴻章隻好另派道員吳仲翔接替他的職務。
這個吳仲翔，以前長期做過船政局的提調，對於船舶製造和駕駛等事非常熟悉，是一個內行。李鴻章派他來主持水師學堂和練船事宜，十分恰當。
同治七年七月，學堂落成，開學上課。這時，所招的學生因風氣未開，不僅對外語外文沒有聽說過，就是連中國文字也僅是粗通。完全是平地起山。在校員工以高度的責任感認真督促他們學習。為他們所設的課程相當周密完善。為能讀用西書，教學英語文法和語言翻譯；為了能掌握數學知識，教授幾何、代數、平弧、三角、八線；為了掌握輪機炮火原理，教授級數、重學；為了能在大洋駕駛戰艦，教授天文、推步、地輿、測量。更為防止他們失於文弱，令其學習槍擊，隊列訓練，升降巨桅；為防止其失於浮華，令其學習儒家經典和傳統倫理。
第二年，在原來的學堂外，另成立管輪學堂，專培養輪機管理人員。原來的學堂就作為駕駛學堂。
三年後，李鴻章向朝廷報告時，非常欣慰地說：“蓋自開堂以來，一日之間，中學、西學、文事、武事，量晷分時，兼程並課，數更寒燠，未嚐或輟”。經過今年春秋兩次考試，英、俄兩國的海軍軍官到校會考。這些外國教官都說：歐洲水師學堂留到學員上練習艦才能教授的學科在這裏已經先學到了。另有了解情況的人說，該學堂中所授高難學科，多是以前福州船政學堂所沒開設的。三年期滿，學員伍光鑒等30人學成畢業，可以上練習艦了；另將從美國撤回的幼童留學生王鳳喈等9人補習完畢，有的可以派在學堂助教，有的可以派到各艦工作。為了鼓勵教學人員，李鴻章高興地為他們請獎。
這所學校為北洋海軍培養了不少各類人才。
天津教案時，作為翻譯的容閎乘便向參與辦案的丁日昌提出一個留學計劃。丁日昌向曾國藩請示。曾國藩立即同意。兩天後，就以辦案四大臣的名義聯銜上奏。同治九年七月三日（1870年7月3O日），曾國藩和李鴻章二人合奏《挑選幼童赴泰西肄業章程》十二條，說明辦洋務需要大量新式人才，而這些人才不是當時中國社會條件下能夠培養出來的。同時，中國要推行洋務新政，不派人到西方社會學習體驗就不知道什麼是西學，什麼是現代化。他們說，派遣留學生關係到“自強”大業，官派留學與私人留學不同，可克服私人留學的弊病。大體規劃為在四年內，每年派30名，連續四年，一共派出120名。留學國為美國，學習目標是軍政、船政、數學、製造等學科。
八月初一日（8月27日），上諭交總理衙門議奏。奕在總理衙門極力支持，並批撥在江海關稅下支付經費。同治十一年正月十九日（1972年2月27日），曾國藩與李鴻章又聯銜奏請《應辦事宜六條》。他們說，派遣留學生是“中華創始之舉”，“亦古來未有之事”。應認真辦理，請派陳蘭彬為正監督，容閎為副監督，常駐美國，經理一切事務。規定的留學內容是：先入美國小學、中學、然後“拔入軍政、船政兩院”，學習以軍事為主的應用技術。留學期限定為十五年。為了防止守舊派人士阻撓，特地規定加學中學，派去中文教師，講習孝經、五經、小學、國朝律例等。每逢房虛卯星等日，由正副監督率領師生望闕行禮，宣講聖諭廣訓，灌輸“尊君親上”思想。以此稍寬守舊人士之心。
容閎是倡議者，又是留美畢業生，十分熟悉美國，卻被任為副手，正手讓陳蘭彬擔任。完全是策略考慮。陳氏是翰林出身，在邢部任主事近20年。他也願意赴外謀求出路。以他為正，似乎可以減少守舊人士的阻力。
此時，在上海設立”出洋局”，即出洋預備學校，以鹽運使銜候補知府劉翰清為校長，進行招生。並以六個月為期進行考察，視學生可資造就，方準出洋。
第一批學生在上海沒有招滿，因為人們對於出洋還視為畏途，所以容閎又到香港去招，才湊足數。詹天佑就是其中的一個。
第一批學生30名於同治十一年七月初八日（1872年8月11日）由上海乘美輪出發。同治十二年五月十八日（1873年6月12日）派出第二批。這時，有人因出洋留學用費太多，想要中止派遣。李鴻章曾一度動搖，後來由於容閎堅持，不但繼續派遣，還撥款建造了中國留學事務所的大樓。同治十三年十月初九日（1874年11月17日）派出第三批。光緒元年九月十六日（1875年10月14日）派出第四批。按計劃完成。