同治十三年，洋务派与顽固派继同治六年有关同文馆招生问题辩论后，再一次展开大辩论。争论的中心问题是制造洋船洋器和筹备海防问题。总理衙门先提出“练兵、简器、造船、等饷、用人、持久”六条措施。李鸿章是“六条”最有力的支持者与倡导者，他主张建立新式海军，各省配备近代武器，用西法采煤、建铁路，培养和选拔具有近代科学知识的人才；两派经过一场激论斗争后，以李鸿章为代表的洋务的意见占了上风。当年李鸿章被授文华殿大学士。
光绪三年（1877），李鸿章设开平矿务局，开采直隶唐山地区的煤炭，光绪七年正式出煤，年产量三万多吨。当年，在奕的暗中怂恿下，他先斩后奏修建唐山至骨各庄的铁路。光绪十二年又向西延长到芦台，长85公里，光绪十三年，李鸿章在天津设置铁路公司进行运营。第二年，李鸿章主持将铁路由芦台又向西延长至天津，光绪二十年，开滦煤矿年产量已发展到70万吨，相当于现在的一个中型煤矿。这是洋务派所办煤矿中最大和成果最好的一个。这个煤矿采用机器采煤，逐渐配备了铁路、运河、专用码头及货栈（zhàn），在中国近代影响非常大。
另外，在工业、交通等方面李鸿章又取得了一系列的成就。光绪五年李鸿章设天津电报局，在国内设七个分局，经过数年的努力，初步形成了能通达半个中国的电报网；光绪七年，在上海建立机器织布局，由郑观应负责，聘请美国人任教习，开中国人机器织布先河；光绪十四年，在黑龙江设漠河矿务局，在当地采金。年产量近两万两。挤走了沙俄抢掠全国黄金的“采矿事务所”。
基于“自强”、“求富”的需要，李鸿章在引进“制器之器”创办军工企业、民用工业企业的同时，还试图推进科举改革，培养“制器之人”，即大批掌握科学技术知识的新式人才。在同治六年的辩论中，他主张科举专设传授和学习各种制造技术一科，单独取士。虽未获准实行，但他在自己所设的上海广方言馆中，不仅让学生学外语，还开设了自然科学课程，这对中国传统的教育无疑是一个突破。由此李鸿章大兴新式学校，先后创办了外国语学校、江南制造局附设机械学校、天津水师学堂、天津武备学堂、天津军医学堂、天津电报学校；他还主张向欧美的几个国家派遣了少量留学生，这是中国派出留学生的先声。通过这些新式学校和留学生，一大批中国近代知识分子和专业技术人才被培养出来。
在军事上，李鸿章除用最先进的近代武器装备自己的淮军外，最令举世瞩目的是创办了北洋海军，这是李鸿章兴办洋务的主要目的。同治十年，李鸿章在天津大沽口添置新式炮台，当年又调江南和福州船厂的两只船到天津巡海。同治十三年丁日昌建议设北洋、东洋、南洋三支海军，李鸿章予以坚决支持。光绪四年清政府决定先设北洋水师，以后再建东洋、南洋水师。年底，李鸿章向英国购买四条炮舰，报请由记名提督丁汝昌留北洋差遣，在天津设水师营务处，以道员马建忠负责海军日常事务。次年，命人设计出黄地蓝龙红珠的长方形海军旗。光绪十一年，清政府正式设海军衙门，由奕任总理大臣，李鸿章任会办大臣，实权由李鸿章掌握。李鸿章凭借手中的权利几年中添置了十余艘新船。光绪十四年，北洋海军正式成立。舰队中有排水量达七千多吨的主力铁甲舰定远号、镇远号，还有各种巡洋舰、炮舰、练习舰、鱼雷艇及各种杂差船只近五十艘，力量在当时已经超过了日本。然而由于北洋海军建军以后，为筹备甲午年慈禧太后60大寿庆典，海军经费大部分被挪用修建颐和园，舰队没办法再加更换和扩充。而日本则针对中国的海军水平，组建了新舰队，在火力和速度等方面，不久就超过了北洋舰队。
光绪二十年中日甲午战争爆发，李鸿章苦心经营的淮军一败不可收拾，北洋舰队也全军覆没，李鸿章洋务运动的军事目的宣告破产，李鸿章权倾朝野的日子也宣告从此结束。然而李鸿章在创办军用、民用工业企业，发展教育、交通、通讯等领域开中国近代化的功劳，却是不可磨灭的。
签订条约丧权辱国
19世纪七八十年代以后，中国国内刚刚历经大规模农民起义和英法等联军的打击之后，国力相当虚弱，而此时外国资本主义已开始向帝国主义阶段过渡，他们更加加紧对中国的武力侵略，中国的边疆危机一日比一日严重，六十年代清与外国所谓“中外和好” 的局面已经一去不复返了。李鸿章等人，针对这种变化审时度势提出“外须和戎，内须变法”的洋务纲要。在一片黑暗的清朝统治者中，有这种认识的人真是寥若晨星寥苦晨星：形容数量极少，也常指剩下的东西很少。，屈指可数。李鸿章大声疾呼中国不应昏睡于“天朝上国”的迷梦而抱残守缺，强调“我朝处数千年未有之奇局，自应建数千年未有之奇功”。在他看来举办洋务就是“处奇局建奇业”的必由之路。
同治九年，发生了天津教案，直隶总督曾国藩先受命处理，后由于受到各方面的责难而离开，清廷不得不又命李鸿章继续处理。在李鸿章主持下，天津教案最终以清政府杀人偿命、赔款道歉等结案。他在任期间，《天津会议专条》、《中英烟台条约》、《中法新约》、《马关条约》、《中俄密约》等许多丧权辱国的条约都或多或少和他有关系。
李鸿章秉承清慈禧等人的卖国保位意旨，在几十年的外交活动中，始终坚持一条对内镇压、对外妥协投降的外交路线。在他签订的各个条约中，除少数具有平等的以外，大部分是卖国条约。在签约的谈判中，他出卖了国家和民族利益，使外国侵略者的特权越来越多，使国家的半殖民地性质不断地加深。李鸿章曾评价他自己“少年科第，壮年戎马，中年封疆，晚年洋务，一路扶摇”。然而甲午战争却使他从权力顶峰上跌落下来，他仅留存文华殿大学士头衔，奉旨入阁办事。李鸿章在北京没有房产，只借住在贤良寺，既不能与闻朝政，又时受政敌攻击。为此他很少外出访亲问友，也不喜欢接待来访客人，“因而门户亦甚冷落”。但李鸿章并不甘心，他还时时刻刻企图东山再起。
光绪二十二年，机会终于来了，慈禧任命他为全权特使，参加俄皇加冕庆典，游历欧美，一路风光。李鸿章出访欧美，除了外交方面签中俄条约的失策外，在思想方面颇有收获。他对过去的“耳闻”，经过亲自考察而有了“目睹”的实际感受，对欧美“立国政教”有了深刻认识，并进而与中国国情进行比较研究，得出欧美“上下一心”，中国“政杂言塞”的结论。因而李鸿章在觐见光绪和慈禧时，就“历陈各国强盛，中国贫弱，须亟设法”。李鸿章原想借助出访欧美之机“再握大权”，还督直隶，重温“坐镇北洋，遥执朝政”的旧梦，而欧美列强也迫切希望清廷对李鸿章能够“优加信任，重畀（bì，给予）大权”，使之东山再起。但是终于还是事与愿违，李鸿章归国之后，于光绪二十二年十月二十四日只奉命在总理衙门大臣上行走。
光绪二十一年，康有为等人在京组织“公车上书”，掀起维新运动，当年八月，由翰林院侍讲学士文廷式等，组织了“强学会”。一时一批清廷官僚纷纷捐资加入，一些外国在华教士也解囊资助加入了该组织。李鸿章当然也想参加，并且捐款二千两，但是由于他在马关刚刚签完条约，人皆指其为卖国贼，名声太臭，因而被拒绝入会。当年十月，康有为在上海办强学会，李鸿章捐款一千两。对维新运动的兴起、发展、变法和失败，李鸿章一直关注并暗中给予支持和同情，甚且还尽力保护维新派大臣、人士。李鸿章所做的这一切是与他的自强变法思想分不开的。但由于其看重功名利禄，他的变法思想与维新派又有极大的距离。
光绪二十五年，年已76岁高龄的李鸿章，奉命到山东勘查山东黄河工程。他尽力查访，陈述了不少有效的主张，但最后由于清廷无法实施而告终。同年年底李鸿章得任两广总督之职再次出山，在两广总督任上，他接到慈禧“剿杀康党”的旨令。他最后由于奉旨而行，逮捕了一些保皇会成员，也对孙中山的革命党人起义进行过镇压，然而在可能的情况下，他还是尽力保康有为祖坟，常与康有为、梁启超等人书信联系，并与孙中山的革命党也频繁接触。这些行为，表明他既不愿割掉赖以荣升的清王朝的脐带，又对变革自强存有希望。
光绪二十六年，声势浩大的义和团运动爆发。英、法、俄、日、美、德、意、奥八个帝国主义国家集结起数万人的八国联军，挑起了侵华战争。在清政府内部，展开了对义和团“剿”与“抚”，对八国联军“和”与“战”的争论。最后慈禧一派占据上风，他们主张利用义和团去打洋人，以求其两败俱伤。六月二十一日，清政府向联军宣战。正当朝廷“和”、“战”、“剿”、“抚”两派争论不休之时，两江总督刘坤一、湖广总督张之洞，和各国驻上海领事会商，炮制了一个《东南互保章程》，李鸿章虽未直接参加“东南互保”，但他是支持这个章程的。李鸿章一贯主张镇压人民革命，并靠镇压人民起家，这次也不例外。在洋务和外交活动中他从崇洋发展到惧洋，因此十分害怕八国的联合进攻，他对“东南互保”是积极支持的。
同年七月，慈禧太后见形势非常不妙，急调李鸿章回任直隶总督兼北洋大臣，为向外国妥协做准备。此时李鸿章已听不进香港总督卜力、革命党人要他两广独立的主张，离开两广北上。八月十四比八国联军攻破北京，慈禧、光绪和部分大臣仓皇出逃西安，途中下罪己诏，严令剿杀义和团，并授权李鸿章“便宜行事”，让他和帝国主义商谈投降议和。庆亲王和李鸿章被任为议和全权大臣，收拾残局。
慈禧太后在获知外国列强可以保证她最高权力，不把她作为战争祸首的前提下，下诏让李鸿章“量中华之物力，结与国之欢心”，要他全部答应《议和大纲》十条要求。光绪二十七年，各国列强逼迫清政府签订了丧权辱国的《辛丑条约》。李鸿章代表清政府在条约上签了字。条约的主要内容：惩办战犯；中国赔款四万五千万两白银，三十九年付清，年息四厘，本息总计九万八千万两；在北京东交民巷设使馆区，外国驻兵把守，中国人不得入内；拆毁大沽至北京所有防御设施，并允许外国军队在十三处驻军；取缔一切反帝活动。这一条约使全中国和清王朝直接处于了列强的刺刀之下，陷入半殖民地的深渊。
条约签订之后，李鸿章奉命署理新成立的外务部。由于战乱的恐吓和忙于议和活动，也由于卖国条约受到舆论的强烈指责，李鸿章终于一病不起，在《辛丑条约》签定后不久的光绪二十七年十一月七日死去，终年78岁，正在从西安返京途中的慈禧得知这一消息后，立即派恭亲王博伟前去祭奠，并下诏对李鸿章追谥文忠，晋封一等侯爵，赐太子太师，入贤良祠祭祀。
