太平天国运动爆发后，李鸿章投身镇压太平天国的军事行动。1862年，在曾国藩的支持下，他组建淮军，并乘轮船抵达上海参与对太平军作战。在上海期间，他积极学习西方军事技术，购买洋枪洋炮，训练新式军队，使得淮军战斗力大幅提升，也让他逐渐在政治舞台崭露头角。
1865年，李鸿章创办江南制造局，为中国军队近代化提供了物质基础。此后，他积极践行“师夷长技以自强”的理念，推动创办轮船招商局、上海机器织布局等近代企业，将洋务运动的重点转向“求富”。
1870年，李鸿章出任直隶总督，他认识到中国积弱根源在于“患贫”，提出“富强相因”“必先富而后能强”的主张。同年秋天，日本政府代表外务权大丞柳原前光访问了他。
19世纪80年代左右，李鸿章创办天津水师学堂、武备学堂等新式学堂，大力培养近代化科技、军事人才，积极推动近代海军建设，组建了北洋水师。1881年，留美幼童计划被中断，中国铁路建设先驱詹天佑便是留美幼童之一。1882年，朝鲜发生兵变，日军借机攻占朝鲜王宫。
1894年，甲午战争爆发。作为北洋水师统帅的李鸿章，在战略决策和指挥上出现严重失误。他过度依赖外交手段避免战争，对日本军事准备严重估计不足，战争中指挥不当、战术保守，致使北洋水师全军覆没，给中国国防和民族自尊心造成了极大打击。1895年4月17日，李鸿章身为直隶总督、北洋通商大臣负有历史使命，被迫与日本代表签订《马关条约》，并因此被脱去黄马褂并降职减薪。
甲午战争后，李鸿章试图借助俄国、德国和法国对日本施压，迫使日本归还辽东半岛。尽管中国为此付出了巨额赎辽费，但在一定程度上避免了领土的进一步丧失。他还积极开展外交活动，会见各国使节和政要，阐述中国的立场和困境。
1896年初，俄国沙皇尼古拉二世举行加冕典礼，俄国指名要李鸿章参加。李鸿章奉命出使欧美各国考察一年七个月，这是封建王朝官员出访西方考察时间最长的一次。
考察期间，他目睹了西方各国先进的工业生产场景，机器轰鸣、工厂林立，大规模的工业化生产与中国传统的手工作坊形成了鲜明对比。
他还见识了西方发达的军事装备和训练有素的军队，感受到了中国在军事方面与西方的巨大差距。西方完善的教育体系和先进的科学技术，也让他大为震撼。
在与各国政要交流时，他深刻体会到了西方政治制度的特点和优势。有一次，他在公共场合因随地吐痰又抽烟遭服务员指责，这让他强烈意识到中国与西方在文明素养和社会治理方面存在的巨大鸿沟。
回国后，他将这些所见所闻、所思所感进行了整理与反思，但这些成果最终却因晚清的腐朽统治未能得到有效运用。
1900年，八国联军侵华，北京沦陷，慈禧太后携光绪帝逃往西安。清政府派李鸿章与庆亲王奕匡等与列强谈判。国人对李鸿章签订不平等条约的行为声讨不断，称他为“卖国贼”。但李鸿章也努力争取，将赔款数额从最初的10亿两白银降至4.5亿两。
李鸿章深知铁路对国家经济发展和国防建设的重要性，积极推动铁路的修建。在他的努力下，中国陆续修建了唐胥铁路、津沽铁路等重要铁路干线。他在推动铁路建设时面临诸多困难和阻力，保守势力认为铁路会破坏风水、惊扰祖宗神灵，资金短缺、技术落后等问题也制约着铁路建设的发展。
虽然北洋水师在甲午战争中全军覆没，但李鸿章并未放弃对近代海军建设的努力。战后，他积极主张重建海军，提出一系列改革和发展海军的建议，强调加强海军人才培养，提高海军装备水平和作战能力。尽管这些主张因种种原因未能充分实施，但他对近代海军建设的关注和努力，为后来中国海军的发展奠定了一定基础。
李鸿章还积极参与中国的经济改革和开放，主张引进西方先进技术和管理经验，发展近代工业和商业。在他的推动下，中国陆续开放一些通商口岸，加强与外国的经济交流与合作。
他还鼓励商人投资兴办企业，支持盛宣怀创办轮船招商局、电报局等企业，为中国经济发展做出了贡献。在与西方列强的交往中，他也积极推动文化交