西捻军覆灭后，清廷开复李鸿章迭次降革处分，并赏加太子太保衔，授湖广总督协办大学士。
在湖广总督任上，李鸿章一度奉命入川查办四川总督吴棠被参案。他和吴棠是在皖办团练时期的“金石至交”，又深知慈禧对吴“圣眷颇隆”，因此曲意回护，以查无实据结案。会武昌后，于九年（1870年）初，奉旨督办贵州军务，镇压苗民起义。尚未成行，复以甘肃回民起义军入陕，清廷因左宗棠远在平凉不及兼顾，又改命援陕。但李鸿章实在不愿与左宗棠共事，故一再拖延，直至六月下旬才抵西安。七天后，因天津发生教案，列强军舰麇集大沽口，奉密谕“酌带各军克日起程赴近畿一带相机驻扎”。匆匆赶赴直隶。
后因成功了解天津教案，被任命为直隶总督，旋兼任北洋通商事务大臣。十一年（1872年），加授武英殿大学士。自此，李鸿章在直隶总督兼北洋大臣任上秉政达25年，参与了清政府有关内政、外交、经济、军事等一系列重大举措，成为清廷倚作畿疆门户、恃若长城的股肱重臣。随着李鸿章地位、权利的上升，他一手创建出的淮军，陆续被清廷派防直隶、山东、江苏、广西、广东、台湾各地，成为充当国防军角色的常备军；而以他为领袖，由淮军将领、幕僚以及一批志同道合的官僚组成的淮系集团，成为当时实力最强的一个洋务派集团，并在其带领下，开始了中国早期的洋务——自强——近代化运动。
在镇压农民起义的过程中，李鸿章不仅建立了一支用西式装备武装起来的军队，还创办了一批近代军事工业。同治二年（1863年），李鸿章雇用英国人马格里会同直隶州知州刘佐禹，首先在松江创办了一个洋炮局，此后，又命韩殿甲、丁日昌在上海创办了两个洋炮局，合称“上海炸弹三局”。三年（1864年），松江局迁到苏州，改为苏州机器局。
四年（1865年），李鸿章在署理两江总督任上，鉴于原设三局设备不全，在曾国藩支持下，收购了上海虹口美商旗记铁厂，与韩殿甲、丁日昌的两局合并，扩建为江南制造局（今上海江南造船厂）。与此同时，苏州机器局亦随李鸿章迁往南京，扩建为金陵机器局（今南京晨光机器厂）。九年（1870年），调任直隶总督，接管原由崇厚创办的天津机器局，并扩大生产规模。于是，中国近代早期的四大军工企业中，李鸿章一人就创办了三个（另一个是左宗棠、沈葆桢创办的福州船政局），已如他自己所言“练兵以制器为先”。尔后，在引进西方设备进行近代化生产的实际操作中，他又进一步得出：“中国欲自强，则莫如学习外国利器。欲学习外国利器，则莫如觅制器之器，师其法而不必尽用其人。欲觅制器之器与制器之人，则或专设一科取士，士终身悬以为富贵功名之鹄，则业可成，艺可精，而才亦可集”，反映出其认识的深化。
70年代出任直隶总督后，责任愈巨，视野愈阔，综观世界各国的发展，李鸿章痛感中国之积弱不振，原因在于“患贫”，得出“富强相因”，“必先富而后能强”的认识，将洋务运动的重点转向“求富”。
十一年（1872年）底，他首创中国近代最大的民用企业——轮船招商局。现任朱其昂为总办，后以唐廷枢为总办，徐润、朱其昂、盛宣怀为会办。由此奠定了“官督商办”政策的基调。其后，在整个七八十年代，李鸿章先后创办了河北磁州煤铁矿（1875年）、江西兴国煤矿（1876年）、湖北广济煤矿（1876年）、开平矿务局（1877年）、上海机器织布局（1878年）、山东峄县煤矿（1880年）、天津电报总局（1880年）、唐胥铁路（1881年）、上海电报总局（1884年）、津沽铁路（1887年）、漠河金矿（1887年）、热河四道沟铜矿及三山铅银矿（1887年）、上海华盛纺织总厂（1894年）等一系列民用企业，涉及矿业、铁路、纺织、电信等各行各业。在经营方针上，也逐渐由官督商办转向官商合办，从客观上促进了近代资本主义在中国的发展。
面对清廷内部封建顽固派的重重阻挠，李鸿章曾雄辩地提出“处今日喜谈洋务乃圣之时”。他认为在追求自强的过程中，必须坚持“外须和戎，内须变法”的洋务总纲，也就是在列强环伺，外侮日甚的环境中，尽最大可能利用“以夷制夷”的外交手段，为中国的洋务——自强建设赢得尽可能多的和平时间。为此，他一生以外交能手自负，处理过许多重大的对外交涉。
同治十年（1871年）七月二十九日，在办理完天津教案后不久，李鸿章代表中国与日本签订了《中日修好条规》，这是一个双方平等互惠的条约，但李鸿章从签约过程日本人的姿态中，看出日本“日后必为中国肘腋之患”。果然，十三年（1874年），日本出兵侵台，李鸿章积极支持清政府派沈葆桢作为钦差大臣率舰队赴台湾巡阅，并调驻防徐州的淮军唐定奎部6500人分批前往台湾。此事最后虽以签订《中日台事条约》而暂时平息，但后来日本还是于光绪五年（1879年）乘隙吞并了琉球。
在与日本交涉的前后，李鸿章还分别于同治十三年（1874年）与秘鲁签订了《中秘通商条约》；光绪二年（1876年）与英国签订了《中英烟台条约》。前者旨在保护华工；后者则是因“马嘉理案”导致的中英间的严重交涉。李鸿章在英国公使威妥玛以下旗宣战的要挟下，巧妙地利用国际法挽回决裂之局。在他建议下，清政府派郭嵩焘赴英国道歉，郭氏遂成为中国第一位驻外公使。但条约也因增开了宜昌、芜湖、温州、北海四个通商口岸，并允许英国人可以进入西藏，损害了中国主权。
光绪九年（1883年），中法战争在越南境内初起，清廷命李鸿章统筹边防战事。李鸿章则认为“各省海防兵单饷匮，水师又未练成，未可与欧洲强国轻言战事”。他先与法国驻华公使宝海签订“李宝协议”，旋为法国政府反悔，继与法驻日公使洽谈未果；当战争进入胶着状态时，慈禧改组军机处，主和舆论渐起。李鸿章在光绪十年（1884年）四月十七日与法国代表福禄诺签订了《李福协定》，五月，随着法军进攻谅山，协议又被撕毁，直至清军在广西和台湾战场分别取得胜利后，李鸿章才最终与法国代表巴德诺签订了《中法会订越南条约》，结束了战争。法国取得了对越南的“保护权”，中越边境对法国开放等特权。因此，时称“法国不胜而胜，中国不败而败”。
从客观上讲，无论是日吞琉球，还是法占越南，李鸿章都深切意识到，列强的威胁来自海上。因此，从七十年代起，就开始提出“海防论”，积极倡议建立近代化的海军。同治十三年（1874年），李鸿章在海防大筹议中上奏，系统提出以定购铁甲舰、组建北、东、南三洋舰队的设想，并辅以沿海陆防，形成了中国近代海防战略。中法战后，鉴于福建船政水师覆败，清政府决定“大治水师”，于光绪十一年（1885年）成立海军衙门，醇亲王总理海军事务，李鸿章为会办。利用这个机会，北洋海军建设成军。
成军后的北洋海军，拥有舰艇25艘，官兵4千余人，在成军当时是亚洲最强大的海上力量。与此同时，李鸿章加紧旅顺、大沽、威海等海军基地的建设，以加强海防。但是，清廷文恬武嬉，内耗众生，户部迭次以经费支绌为借口，要求停止添船购炮，自此，北洋海军的建设陷于停顿、倒退的困境。
光绪十年（1884年），朝鲜爆发“甲申事变”，对朝鲜时存觊觎之心的日本，乘机出兵。时候，李鸿章与日本专使签署《天津条约》时，规定朝鲜若有重大事变，中日双方出兵需要事先知照。为甲午战争爆发结下祸胎。
光绪二十年（1894年），朝鲜爆发东学党起义，朝鲜政府请求中国出兵帮助镇压，李鸿章过于听信驻朝专员袁世凯的报告，认为日本“必无他意”，遂派直隶提督叶志超和太原镇总兵聂士成率军1500人赴朝。不料，日本此后立即向朝鲜派兵，在朝日军增至8000余人，事态趋于严重。李鸿章为设法避免战争，曾通过英、俄两国出面斡旋，但为日本拒绝。无奈下，只得增派军队入朝，和日本相抗衡。六月二十三日，日本军舰在丰岛发动突然袭击，击沉中国运兵船“高升”号，甲午战争爆发。
八月十六日，驻朝陆军在平壤与日军激战数昼夜后溃败，总兵左宝贵战死，统帅叶志超等逃回国内。八月十八日，北洋舰队与日本海军主力在黄海大东沟附近海域遭遇，经过近五小时的鏖战，中国军舰沉没4艘，日本舰队亦遭重创。此后，清军在鸭绿江、九连城等战场与日军激烈交战，但终未能挡住日军的攻势。最终，旅顺、威海等重要海军基地失守，北洋舰队覆灭。
光绪二十一年二月十八日，李鸿章受命，作为全权大臣赴日本议和。尽管行前清廷已授予李鸿章各地赔款的全权，但他仍期望“争得一分有一分之益”，与日方代表反复辩论。在第三次谈判后，李鸿章于会住处的路上遇刺，世界舆论哗然，日方因此在和谈条件上稍有收敛。三月十六日，李鸿章伤稍愈，双方第四次谈判，日方对中国赔款2亿两白银，割让辽东半岛及台湾澎湖等要求表示不再让步，日方和谈代表伊藤博文谓，李鸿章面前“但有允与不允两句话而已”。事后日方继以增兵再战进行恫吓。李鸿章等连发电报请示，光绪皇帝同意签约，命令“即遵前旨与之定约”。二十三日，马关条约签字。
马关条约签订后，在全国引起强烈反响。康有为等发动公车上书，掀起维新变法的高潮。李鸿章虽然也视马关签约为奇耻大辱，发誓终生不再履日地，并倾向变法。但在“国人皆曰可杀”的汹汹舆论下，成了清廷的替罪羊。甲午战后，李鸿章被解除了位居25年之久的直隶总督兼北洋大臣职务，投置闲散。
二十二年（1896年）春，俄皇尼古拉二世举行加冕典礼，李鸿章奉命作为头等专使前往祝贺。在此之前，俄国会同法、德发起三国还辽成功，清廷上下视俄国为救星，包括李鸿章、翁同龢、张之洞在内的元老重臣均倾向联俄。清政府的外交政策也由“以夷制夷”转向“结强援”。同年四月二十二日，李鸿章在莫斯科签订了《中俄密约》，中俄结盟共同对付日本，并同意俄国修筑西伯利亚铁路经过中国的黑龙江、吉林直达海参崴。
此后，李鸿章率随员先后访问德、荷、法、比、英、美、加诸国，由于系亲身游历，他对西方社会制度产生由衷的赞叹，并在演讲中一再大声疾呼：“五洲列国，变法者兴，因循者殆”。回国后，面临方兴未艾的戊戌变法运动，他慨然以“维新之同志”自许。变法失败后，康、梁流亡海外，慈禧一再下令捕杀康梁余党，时任两广总督的李鸿章却说：“我决不做刀斧手”。
李鸿章出任粤督期间，北方爆发了义和团运动，英、法等国组成八国联军进行干涉，慈禧携光绪逃至西安，北方局势一片混乱。而东南地区的实力派疆臣如两江总督刘坤一、湖广总督张之洞等，则在盛宣怀联络下，倡导东南互保，即不卷入清廷这次对外宣战，以保东南半壁不陷入混乱中。李鸿章对此表示支持。
在此期间，经由革命党人陈少白和李鸿章的幕僚刘学询牵线，李鸿章一度有意与自日本前来策划“两广独立”的孙中山晤面，但由于双方互存戒心而作罢。
光绪二十六年（1900年）六月十二日，为收拾八国联军之役的残局，清廷再度授李鸿章为直隶总督兼北洋大臣，并连续电催其北上。李鸿章乘轮船至沪后，以身体不适为由迁延观望，部下及亲属也都劝其以马关为前车之鉴，不要再北上，以免又成为替罪羊。直至七月三十日，北方局面实在无法收拾，慈禧在逃亡途中电催李鸿章北上。一个月后，李鸿章抵京收拾残局，向八国联军求和。
二十七年（1901年）七月二十五日，李鸿章、奕劻代表清廷签署了《辛丑条约》，赔款4亿5千万两。
签约后两个月，被李鸿章倚为强援的俄国政府再度发难，提出“道胜银行协定”，试图攫取更大权益，并威逼李鸿章签字。“老来失计亲豺虎”，气恼交加，李鸿章呕血不起，于九月二十七日去世，临终时“双目犹炯炯不瞑”，带着无尽的遗憾，走完了他78岁的人生历程。
李鸿章原配夫人周氏，咸丰十一年（1861年）病故。继室赵小莲，系太湖望族、进士赵昀之女。侧室莫氏，侍妾冬梅。子三：嗣子经方；嫡子经述（赵氏所生）袭一等侯爵；庶子经迈（莫氏所生）。女三：分别适郭恩垕、任德和、张佩纶。
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