同治初年（１８６２年），李鴻章創辦的上海洋炮局和蘇州洋炮局都沒有脫離手工生產狀態，卻是中國近代軍事工業的雛形。在創辦洋炮局的過程中，李鴻章看到該局所生產的炸彈和短炮都趕不上外國人所造的精良。他認識到“唯製器之器，中國所作者一時不能如法”。他總結說：“中國欲自強，則莫如學習外國利器；欲學外國利器，則莫如覓製器之器。”
同治四年（１８６５年）春，確定在上海就地購買機器。五月，購買上海虹口的一座洋人工廠。這個工廠原是美商旗記鐵廠。他報告購買美商旗記鐵廠時說，並非隻是為了購買一座兵工廠，而是為了購買到一座能夠生產各種機器的工廠，即所謂“製器之器”。學習的目的重於物質的目的，即所謂“今成此座鐵廠，當盡其心力所能及者而為之，日省月試，不決效於旦夕，增高繼長，尤有望於方來，庶幾取外人之長技，以成中國之長技，不致見絀於相形，斯可有備而無患。”這種遠大的目標，就是要給中國的工業奠定一個基礎。江南製造總局是中國最早的大機器近代兵工廠。 丁日昌由海關撥借２萬兩銀，另加革員唐國華等捐出４萬兩，向洋商購買工廠。八月奏設，將原洋炮三局中的兩個合並進來。李鴻章委派丁日昌、韓殿甲、馮俊光、王德均、沈保靖總辦局務。 那時，李鴻章正在署理兩江總督的任上。他為了自己能夠便於“就近督查”，也想到了重工業就設在比較安全的地方，可以少受外國侵略的幹擾。建議稍緩當籌款另建房屋，將工廠遷到金陵沿江“偏僻處所”。這種從有利於戰備出發的思想，後來卻沒有貫徹到底。
江南製造總局在李鴻章奉命剿撚時，先後由曾國藩和馬新貽繼續督辦。曾國藩時期，把容閎從美國買回來的一批機器安裝並投入生產。馬新貽時期，奏請朝廷允許用江海關下二成洋稅撥作滬局常年經費。從此它有了固定而比較充實的經費，成為全國最大的兵工廠，能夠生產槍、炮、彈藥、軍艦，後來還能煉鋼。 到了日本侵略台灣時，李鴻章再度提出廠址應設於安全地方。他認為現在“閩、滬、津機器局逼近海口，原因取材外洋起見，設有警變，先須重兵守護，實非穩著。”建議各省今後添設機器局應於內陸地區，以便不受威脅，正常生產。
該局從同治六年（１８６７年）起，開始造前膛槍和林明敦式後膛槍。光緒九年（１８8３年）加造黎意槍。光緒十六年（１８９０）停造林明敦式槍，加造自己研製的快利新槍。十八年（１８９２年）停造黎意槍。二十三年（１８９７年）後主要生產７。９公厘毛瑟槍。除前膛洋槍不計外，光緒三十年間共造成各式後膛槍６。５３萬枝。從同治八年起設炮廠，仿造英國阿姆期莊廠產品，有大炮、快炮兩種。除所造舊式劈山炮不計外，到光緒三十年（１９０４年）共生產出742尊炮。該局造炮為全國最大。其安置於要塞的大炮最大者為５２噸重，使用８００磅重炮彈，在１０００米內能擊穿１９寸鐵甲。從開辦到光緒三十年間，共造火藥６６７萬磅，炮彈１６０萬磅，槍彈８６０萬顆，槍彈殼２。１億粒，地雷水雷１５００具。光緒十六年（１８９０年），滬局有西門士馬丁式煉鋼爐一座，三噸煉鋼爐一座。從光緒十七年至三十年（１８９１～１９０４年），共煉出熟鋼１７６２。１４４８萬磅，上等純鋼０。６４８５萬磅。能夠軋製鋼板、鋼軸、槍坯、炮坯等。
由於江南製造局的產品主要是調撥各軍使用，而非商品，加以薪水、工資和事務費太大，影響生產成本。所以除了彈藥生產可以有效供應各軍，槍炮產量則不是太多。
此外，江南製造局還生產輪船軍艦，產量僅次於專業的福州造船廠，也是當時沿海國產軍艦的重要來源之一。曆年共造成炮艦１６艘，小鐵殼艦５艘，舢板船３０艘。
同治四年（１８６５年），李鴻章署理兩江總督。他把設在蘇州的洋炮局遷到了南京。蘇州的洋炮局原是炸彈三局中的一個，由洋人馬格裏和中國人劉佐禹主持。遷到南京後，在南門外雨花台（掃帚巷）立廠。同治五年七月新局落成，稱為金陵機器局，簡稱寧局。
寧局因經費不足，隻能生產彈藥和小型輕便炮。到同治八年（１８６９年），它已能生產各種大炮、炮車、炮彈和槍彈，此外生產各種其他軍用品。所需經費由淮軍餉項撥給，每年約５萬兩。它生產的軍械彈藥最初隻供給李鴻章的淮軍，後來擴大到供應江防和南洋各軍。
李鴻章主要讓劉佐禹為總辦。但洋人馬格裏很有野心，總是和劉佐禹爭吵。後來還設立一支私人衛隊，由３０名士兵組成，耀武揚威。李鴻章提出解散衛隊，他居然斷然拒絕。李鴻章把他降為工頭，他又以辭職相要挾。
在馬格裏主持下所造大炮質量很壞，經常炸裂。李鴻章將馬格裏在金陵機器局的職務撤銷。以後，這個局一直由中國人主持，不再用洋人做監督。
金陵機器局建成後，進行了四次擴充。第一次是同治十二年，第二次是光緒元年（１８７５年），第三次是光緒七八年（１８８１年、１８８２年），第四次是光緒十一二年（１８８５年、１８８６年）。 其經費由江海關撥５萬兩，江南籌防局撥３萬兩，揚州淮軍收支局撥2萬兩，一共10萬兩。後來略有增加，保持在１１萬兩左右。
在馬格裏之後，金陵局不再生產大炮，大量生產小型山炮和前膛炸炮，並繼續生產舊式抬槍。外國人看了很覺得好笑。該局也仿造了少量的克虜伯炮，那登飛快炮和格林炮。該廠生產彈藥很多。中法戰爭期間，廣東、台灣、廣西、雲南、湖北、江西等省都飛電請撥軍火。該局幾乎應接不暇，員工生產為前線“篝燈夜作”。
金陵局與江南局之間生產槍炮彈藥有某種分工。李鴻章於光緒十六年（１８９０年）的一件奏折中說：“兩局所製軍火，其中各有不同，有為江南製造局所製而該局所無者，有為該局所製而江南製造局所無者。”可見在生產安排方麵有一定的計劃。其管理上，以匠役工人的技術優劣定報酬，如打夜工，加給工資，是一種雇傭勞動的性質，從生產關係方麵說，這是曆史性的進步。 除生產軍火外，該局還製造過兩艘小輪船，行駛於上海和南京之間。
李鴻章奉命剿撚時，朝廷同時命他派員赴津設局製造炸彈。曾經一連四道上諭調丁日昌北上。同治四年（１８６５年）冬，三口通商大臣崇厚也請李鴻章給他購買機器運到天津使用。李鴻章成了新式大機器工業的巨擎，誰要辦機器工業都要找他。
不過，那時李鴻章正在籌辦江南製造總局。如果把骨幹抽走，滬局就可能前功盡棄，李鴻章沒有立即派人。
同治五年（１８６６年），由恭親王奕正式上折子奏請設立天津機器局。這是由滿洲貴族建立的新式大工廠，隱含與漢人工廠相抗衡的意思。朝廷批準後，交由崇厚辦理。同治六年，崇厚奏請用津海關和東海關兩個關共同協濟出四成洋稅，作為津局的常年經費。津局設有兩個分廠，稱東、西二局。最初津局由英人密妥士（Ｊ，Ａ，Ｔ，Ｍｅａｄｏｗｓ）為總辦，是具體經營者。其實他不善於經營。
同治九年，天津教案發生後，李鴻章來到天津，接任直隸總督，也接辦了天津機器局。十月二十六日（１８７０年１１月１８日）。李鴻章奏請擴充天津機器局，強調在練兵的同時必須開展大機器生產。奏稱： 製器與練兵相為表裏，練兵而不得其器，則兵為無用；製器而不得其人，則器必無成。西洋軍火日新月異，不惜工資而精利獨絕，故能橫行於數萬裏之外；中國若不認真取法，終無由以自強。竊謂士大夫留心經世者，皆當以此為身心性命之學，庶幾學者眾，而有一二傑出，足以強國而贍軍。他指出，士大夫如把大機器生產當作身心性命之學來研究，才能作到強國強兵。
不到一年，李鴻章就把密妥士辭退了，另委派他的幕僚沈葆靖。從此津局曆任總辦都由中國人擔任。沈保靖當時正在滬局任職，作風廉正，而且熟習西洋機器事務。沈葆靖作了津局的總辦後，津局很快就走上了正軌。
由於沈葆靖主持津局後，陸續解雇了津局中的一些北方旗人和漢人，另外介紹了許多南方人，所以外國報紙在光緒元年（１８７５年）評論說：“很顯然，李鴻章的這種政策如果繼續下去，再過半年機器局裏將要連一個北方工人或學徒都留不住了，而機器局將完全由忠於李鴻章的南方人所把持。其結果一定是中央政府在軍火和軍器的製造與修理方麵完全得依靠李鴻章了。”後來的結果雖然不是完全把北方人都解雇了，但天津機器局確實一直是在李鴻章一手控製下進行生產的。滿洲貴族用以與漢人地主集團抗衡的努力完全告吹。
到光緒五年（１８７９年），天津機器局擴建基本完成，生產能力大大提高，所生產的軍火比前兩年多出三四倍。津局的主要產品是火藥、槍彈、炮彈、水雷等。據統計，從李鴻章接辦津局至光緒八年（１８８２年）共生產各種洋火藥６１０萬磅，槍子１６０７萬餘顆，炮彈４０餘萬枚，銅帽２。９７４６億顆，大小水雷地雷約３０００具。產品足以供應淮軍和北洋水師的大部分需要。後來供應範圍擴大到吉林、奉天、熱河、察哈爾和江南各地。
天津機器局還接待北京神機營官兵和朝鮮留學生，為此分建藝廠和朝鮮館。以後，為了培養新式人才，分別設立了電機學堂、水雷學堂、水師學堂等。
天津機器局在生產軍火之外，偶爾也生產輪船，不過都不是軍艦，而是小型船隻。最大的是光緒六年（１８８０年）所造兩艘布雷船。其次是禦用的鋼鐵遊艇，供內廷在北京的昆明湖上使用，以及拖帶禦船的幾艘小汽艇。另外給李鴻章製造了一艘座船。
此外，李鴻章還在淮軍中設立了“天津行營機器局”，與天津機器局不同，是隨軍性質的小型工廠，專門生產各種新式槍炮彈。 李鴻章親手創辦了滬寧二局，卻調任直隸總督。他怕別人後繼不利，前功盡棄。同治九年（１８７０年）他給曾國藩寫信說：“滬寧兩局，敬求倍加提振，鴻章雖遠，亦不敢忽視。”他象關心自己的孩子一樣關心著一手創辦的新式兵工廠，對自己的老師尚且不放心，對別人就更不用說了。清廷對他的用意也很理解，雖因滬寧二局地處兩江，應明文規定二局歸兩江總督管轄。但同時規定有關報銷、督察等事仍要會同北洋大臣辦理。這樣，李鴻章就明正言順地通過自己的舊部和親信對滬寧二局進行遙控。
曾國藩在次年就去世了。以後曆屆兩江總督，他都力爭與之搞好關係，幫助出點子，薦人才，籌經費。隻有左宗棠是個例外。左宗棠於光緒八年至十年（１８８２年至１８８４年）任兩江總督。他派自己的人潘露總理滬、寧二局，並派陳嗚誌幫同辦理滬局，兼顧寧局事務，明顯地拒絕李鴻章的影響和控製。