曾国藩、左宗棠、郭嵩焘、刘坤一这一批岳麓士前期以镇压太平天国起义、维护封建道统为己任，后期则以开展洋务运动、革新物质技术为目标。虽然岳麓书院著名学子魏源早就提出了“师夷长技”的主张，但外国列强的侵略还没达到挑战清王朝生存的地步，这个旧政权就还在昏睡。太平天国的起义要推翻清王朝的统治，这使得清王朝开始“自强”，洋务运动于是兴起。洋务运动是中国历史上最早的现代化运动，它的发起者和领导人是在镇压太平天国的战争中深深认识到西洋科技重要性的曾国藩们。正如哲学家罗素所说：“科技的重要性往往在战争中先认识到。”
1860年11月，咸丰皇帝就俄国向清廷提议帮助打太平军和帮助把南方的粮食运到京师来征询大臣们的意见。曾国藩上奏折表示，对俄国派兵来打太平军要断然拒绝，对俄国帮助运输可以接受。曾国藩进一步提出，用外国人帮忙是暂时的，最主要的是把洋人的科学技术学过来，“师夷智以造炮制船，尤可期永远之利”。咸丰皇帝很快做了两道重要指示：一是在京师成立总理各国事务衙门，专门办理外交；二是同意向外国购买机器、枪炮等，回来研究。从此，洋务运动拉开大幕，时称“同光新政”。
1861年12月，曾国藩建立安庆内军械所，研究、生产弹药、船炮等。1862年底，华蘅芳与徐寿、徐建寅父子在安庆试制成中国第一台蒸汽机。1863年1月，安庆内军械所造出了中国第一条木质轮船。曾国藩认识到了现代机器的巨大能量，他决定派员出洋购买“造器之器”。1863年12月，曾国藩派最早留学美国的容闳带六万八千两银子赴美购办机器，准备建立正式的近代工业。容闳原本投奔了太平天国，但没被重用，就转投曾国藩。1865年，容闳从美国朴得南公司购回一百多部机器。同年10月，曾国藩与李鸿章在上海成立江南机器制造总局，简称“江南制造局”，包括李鸿章从美商手中买来的铁工厂、清政府原有的两个洋炮局和容闳从美国购来的机器。1867年3月，曾国藩奏拨专款在江南制造总局增设造船所，试制新轮。5月，曾国藩与李鸿章又将江南制造总局迁址扩建。江南制造局是中国近代工矿企业的母厂，在它的示范和支援下，一批军用民用工矿企业迅速兴起，如山东机器局、四川机器局、大冶煤铁矿、徐州煤矿、漠河金矿等，它们奠定了中国近代工业的基础。
曾国藩不仅关注“造器之器”，他还往更深处探求，开展外国书籍的翻译。他说：“盖翻译一事，系制造之本根”。1866年，曾国藩在江南制造局设立翻译馆，由徐寿、徐建寅、华蘅芳、李善兰和聘请的外国人伟烈力、傅兰雅、玛高温等合作，翻译各种西方书籍。徐寿是著名科学家，尤其擅长化学；李善兰是著名数学家、天文学家；华蘅芳是著名数学家、地学家。他们对中国近代科学技术的发展做出了很大贡献。到1909年，江南制造局共译出图书159种，计1075卷。“泰西声、光、化、电、营阵、军械各种实学，遂以大明，此为欧西文明输入我国之滥觞”。《防海新论》1868 年出版后，江南制造局即于1874 年推出中译本，李鸿章仔细读了此书，之后极力主张海防。康有为、谭嗣同最初接触西学，也是来自江南制造局翻译的书籍。
在翻译馆成立之前，容闳建议曾国藩在江南制造局旁设立一所兵工学堂，以期中国将来不必需要外国机械和外国工程师。曾国藩便在奏折中提出：“拟俟学馆（即翻译馆）建成，即选聪颖子弟随同学习。”江南制造局的这个兵工学堂开启了中国近代职业技术教育的先河。为了培养轮船的驾驶与管理人员，曾国藩曾委派专人负责新轮的操练工作。为了解决养船缺乏资金的问题，曾国藩提出将新造商轮租给可靠商人使用的主张，遂成官督商办与轮船招商局之滥觞。为了培养先进人才，曾国藩还采纳容闳的建议，派幼童到美国留学，揭开了中国向外派遣留学生的历史。
曾国藩对中国的近代海军建设也有筹划之功。由于湘军水师船小体轻、行驶缓慢，只适于内河作战，不能在海洋上巡行，所以曾国藩早在咸丰末年对剿灭太平天国已有把握之时，就开始筹划建立外海轮船水师，即近代海军舰队。1864年1月，曾国藩派李凤苞测量江浙外海各岛屿沙线。在湘军大遣散时期，其水师被全部保存，改名为长江水师，并进行了整编。1865年12月，曾国藩亲自核定长江水师永远章程及营制营规。研制轮船、招募与训练水兵、制订水师章程、筹集海军经费等种种工作都为日后建立近代海军做了铺垫。后来清朝海军的发展基本是按曾国藩时代制订的蓝图进行的，如曾国藩对丁日昌“建立吴淞、天津和南澳三支外海水师”提议的支持，而丁日昌曾经是曾国藩的部属。
李鸿章是曾国藩洋务事业的继承者，也是集大成者。曾国藩说：“李少荃拼命做官，俞荫甫拼命著书。”由此可见李鸿章热衷事功。李鸿章率淮军到上海以后，跟西洋人接触得多，因而大开眼界。他认为清军的武器装备和军事制度都存在严重问题，提出“变易兵制，讲求军实”、“废弃弓箭，专精火器”。李鸿章是中国现代陆军和海军的奠基人，他从英法购买了大量的来复枪和西式野战炮，雇用了外国军官任淮军各营教习，命令淮军练洋操，使用热兵器。到1864年春，淮军已装备了约一万五千支步枪，这使得李鸿章最终剿灭了捻军起义，从而在政坛崛起。为了供应淮军所需的弹药，李鸿章从1863年起迅速建立上海洋炮局、苏州洋炮局、金陵机器局，聘请外国工程师，制造开花炮、自来火等现代武器。1870年，李鸿章调任直隶总督，接管了天津机器局。江南制造局、金陵机器局、天津机器局是当时中国最大的兵工厂，所产军火源源不断供往全国。
李鸿章注重培养现代军事人才，发展国防。1876年4月，李鸿章派卞长胜一行7人赴德国学习陆军。12月，他与福建船政大臣沈葆桢联衔上奏，选派船政局生徒共30人去英、法学习驾驶、水师兵法及制造。1881年与1885年，他又选派32名军事学员出国留学。李鸿章认为：“若不前赴西厂观摩考察，终难探制作之源……如此分投学习，期以数年之久，必可操练成才，储备海防之用。”1880年，李鸿章仿照英国海军创办了北洋水师学堂。1885年，他仿照德国陆军创办了北洋武备学堂。1871年，李鸿章首先在天津大沽口营造新式炮台，安置了金陵机器局制造的数尊大炮。同时，不惜重金从国外购买了15艘兵船，并修建旅顺船坞、大连军港、威海卫军港。
李鸿章很快认识到，“船炮机器之用，非铁不成，非煤不济”，“英国所以雄强于西土者，惟借此二端矣”，于是开发了磁州煤矿、开平煤矿、漠河煤矿等。李鸿章认为，“中国积弱，由于患贫”、“以贫交富，以弱敌强，未有不终受弊者”，只有“富”才能够“强”，“富强相因”，因此开始发展民用工业。1882年，李鸿章创办上海机器织布局。近代工业的发展要求交通运输、信息传递等工具的近代化，李鸿章认为铁路与电报的功用最大，尤其是铁路对“国计军谋两事”至关重要，“中国今欲整顿一切新政，惟铁路为第一枢纽”。1872年，李鸿章在上海创办了轮船招商局。1880年，又设立天津铁路公司。从1879年开始，李鸿章大建电报线。到19世纪末，中国近代电报通讯网络已初具规模，覆盖全国大多数省份。
办理洋务首先要有一批通晓外国语言文字的人才，李鸿章于是设立了广方言馆，培养外语人才。李鸿章认识到，向西方学习搞现代化需要各种实务人才，外交方面要有深谙国际公法的，制造方面要有能工巧匠，军事方面要有近代指挥官，而现有教育培养不出来。李鸿章对西方的科技、教育非常崇拜，他说：“西洋制造之精，实源本于测算、格致之学，奇才叠出，月异日新。”他盛赞外国对于技术人才的态度，“创制之员匠，则举国崇敬之，而不以曲艺相待”，“能造一器为国家利用者，以为显官，世食其业，世袭其职”。李鸿章对中国传统的治学方法以及这种治学方法培养出的治国人才提出了批评，提出改革科举考试制度，希望通过给予富贵功名来鼓励读书人学习外国先进科技。李鸿章主张在沿海各省设立洋学局，分格致、测算、舆图、火轮、机器、兵法、炮法、化学、电学等门类，延揽有专长的人才入局，并与聘请的外国技术人员共同研究，然后分配至船厂炮局，按工作成绩授以官职，和正途出身无异。
李鸿章清醒地认识到闭关自守、孤立于世界之外的时代已一去不复返了，他说：“华夷混一局势已成，我辈岂能强分界画。”李鸿章重视外交工作，他主张中国进入国际外交。他奏请朝廷遴选官员，派驻日本、美洲、欧洲各国。1875年12月，清政府正式任命陈兰彬、容闳为外交使节，出使美国、西班牙、秘鲁。1876年，派何如璋、张斯贵出使日本，郭嵩焘、刘锡鸿出使英国。在中外交涉的实践中，李鸿章渐渐成为清廷的首席外交顾问和外交决策者。李鸿章在天津的直隶总督、北洋大臣衙门，被称为“第二中央政府”。1896年，年逾七旬的李鸿章出访俄、德、法、英、美五国。在访问中，李鸿章相当认真，详细了解西方的种种情况。归国途中路过日本，李鸿章拒不登日本国土，通过木板换上另一艘船。李鸿章继承了魏源“调夷之仇国以攻夷”的思想，在列强间平衡，使中国没有被彻底殖民化。
三十多年来，曾国藩、李鸿章的洋务运动一直遭遇到来自国内各阶层保守分子的巨大阻力，一些人攻击他们是“离经叛道”、“以夷变夏”。慈禧太后为了维护个人权力，在洋务派与守旧派之间大搞平衡，使得洋务运动大受掣肘。李鸿章死后，梁启超同情地表示：“吾敬李鸿章之才，吾惜李鸿章之识，吾悲李鸿章之遇。”洋务运动自身确实存在着很多弊端，尤其是洋务派对外国列强的妥协。曾国藩他们自称是“隐图自强”，意即对洋人的侵略隐忍退让，委曲求全，示人以弱，使其难于发觉，暗地里则奋发进取，待实力强大后，再向外国争回主权。有人根据曾纪泽在国外发表的言论，将其概括为“先睡后醒论”。但这种思路遭到了很多人的质疑。
尽管李鸿章提出了“处今时势，外须和戎，内须变法”，但洋务派的所谓“变法”并没有真正进行。洋务派的“改革”实际上只是“改良”，只在器物层面进行，制度和文化都没有触动。洋务派还是信仰君子的“人治”，而“人治”摆脱不了魔鬼与天使相混合的人性。梁启超说李鸿章“不识国民之原理，不通世界之大势，不知政治之本原”。德国首相俾斯麦预言道：“中国渐弱，日本渐兴。”1894年，刘坤一指挥的湘淮陆军在辽河大败于日军，李鸿章指挥的北洋水师在黄海大败于日军，大清的洋务运动不敌日本的明治维新。究其因，曾国藩、李鸿章的理学思想惯性决定了他们不可能从根本上变革中国，李鸿章的幕僚冯桂芬在《采西学议》中指出，中国要想“自强”，应该“以中国伦常名教为原本，辅以诸国富强之术”。
在洋务派中，郭嵩焘的思想是走得最远的。1870年代初期，日本入侵台湾，清政府做了妥协退让。对此，主管对外事务的总理衙门于1874年11月上奏朝廷，认为之所以对日本妥协，是因为中国的海防空虚，别无选择。奏折同时指出，一直以来朝廷虽有自强之心、自强之言而无自强之实的原因是“同心少，异议多”。奏折最后提出了练兵、简器、造船、筹饷、用人、持久六条措施，做为自强求富的总方针。于是清政府内部掀起了一场关于兴办洋务的大讨论。1875年3月，正当这场讨论进入高潮之际，郭嵩焘以福建按察使的身份给总理衙门上了一个条陈。郭嵩焘认为，西洋立国有本有末，其本在朝廷政教，其末在商贾，中国要求富强，必须注意西方的国政、军政，从根本上了解西方的长处，从长远着眼。郭嵩焘提出的具体方案是：急通官商之情，通筹公私之利，兼顾水陆之防，了解本末之序。从此时开始，郭嵩焘指出了中西的差距不仅在物质层面，更在政治层面。
1876年，清政府派郭嵩焘出使英国，一时引得舆论大哗，有人骂道：“出乎其类，拔乎其萃，不容于尧舜之世；未能事人，焉能事鬼，何必去父母之邦。”郭嵩焘在赴英途中坚持天天记下沿途见闻，然后整理出《使西纪程》，寄给了总理衙门。《使西纪程》对西方国家的政治、经济、教育、社会等大加赞扬，批评国内士大夫“高谈阔论”、“虚骄自大”，引起了守旧士大夫的群起攻之。郭嵩焘到伦敦后，成为常驻英国公使，后来又担任了驻法公使。在出使期间，郭嵩焘对西方国家进行了深入的考察，留下了详细的文字记录，为国内了解西方提供了一条简捷的途径。郭嵩焘拜访了很多西方知名学者，热心旁听各种学术演讲，观看各种科学实验，足迹遍及学校、医院、邮电局、铸钱局、军火工厂、博物院、图书馆、天文台、水族馆、救火局等地方。无论身体如何，郭嵩焘的日记一天也没有间断过，少则几百字，多则几千字。郭嵩焘还鼓励留学生也坚持记日记，1878年6月2日，他检查了严复等留学生的日记，留下了7000多字的记录。严复受郭嵩焘影响很大，他后来成为著名的启蒙思想家。
由于国内守旧势力的攻击，郭嵩焘被迫结束三年的旅欧生活回国，曾纪泽接任。郭嵩焘归国后辞职返乡，在长沙，到处张贴着指责郭嵩焘勾结洋人的大字报。面对守旧士绅们的污蔑和无知群众的误解，郭嵩焘关起门来，将自己有关洋务的奏议、书信、文章等编辑成《罪言存略》出版。郭嵩焘希望这部书能使国人了解中国所面临的世界大局，他也成为继魏源之后的又一位“睁眼看世界”的主要先行者。70年代后，郭嵩焘对清政府的批评更加凌厉，他不但批评顽固派的虚骄、守旧，而且批评洋务派的逐末舍本。他认为洋务运动是“治末而忘其本”，勉强维持，终为徒劳。他指出，“国家大计，必先立其本”，就是要先立纲纪法度、人心风俗，即制度和文化。
岳麓书院的另一位重要学生左宗棠在太平天国战争结束以后，调任陕甘总督，负责西北军政，这就为他完成林则徐的西定新疆嘱托提供了条件。1865年中亚的阿古柏入侵南疆，1871年沙俄又以新疆动乱为由出兵侵占伊犁，这就造成了西北边疆的严重危机。1874年，日本也趁火打劫，入侵台湾，引起了海疆危机。由于财力不足，清廷内部对海防与塞防进行了争论。李鸿章一派认为敌人主要从海上来，新疆是茫茫沙漠，没有那么紧迫，应搁置新疆，集中财力筹办海军和洋务事业。左宗棠一派则主张海防与塞防并重，要求收复新疆，“所谓千里荒漠，实为聚宝之盆”，“若新疆不固，则蒙部不安，匪特陕、甘、山西各边时虞侵轶，防不胜防，即直北关山，亦将无晏眠之日”。最终，朝廷采取了折衷的做法，兼顾海防塞防。但是，塞防方面的财政要左宗棠自行解决一半。于是，左宗棠请出胡雪岩向外国借款打仗。
1875年5月，左宗棠受命督办新疆军务，时年63岁。西征时，左宗棠带了两件东西，林则徐当年绘制的新疆地图和一副沉甸甸的棺材。左宗棠抬棺西行，极大地鼓舞了士气。一年后西征军成功收复了除伊犁以外的新疆地区，最终通过曾纪泽的交涉全境收复了新疆。左宗棠建议设立新疆省，实行了屯垦等政策。左宗棠在西征时发现沿途“赤地如剥、秃山千里、黄沙飞扬”，传令“凡大军经过之处，必以植树迎候。否则，无论巡抚、县令，提头来见”。植树者要对树苗的成活负责，树上挂其姓名。自此，古老的丝绸之路上开始出现千里“左公柳”。浙江巡抚杨昌浚见后写下“大将筹边尚未还，湖湘子弟满天山。新栽杨柳三千里，引得春风渡玉关”。
李鸿章集中力量办海防也有其苦心。他在上万字的《筹议海防折》中忧心忡忡：“历代备边，多在西北……今则东南海疆万余里，各国通商传教，来往自如，麇集京师及各省腹地，阳托和好之名，阴怀吞噬之计。一国生事，数国构煽，实为数千年未有之变局……水陆关隘，不足限制，又实为数千年来未有之强敌！”在李鸿章的努力下，中国海军有了大发展，到1888年北洋水师成为东亚第一海军。作为对日本入侵台湾的警告，1886年8月，北洋水师定远、镇远等六艘主力战舰访问日本长崎。日本震惊了，随即发行海军公债1700万日元，用于建造“三景舰”以对付中国的定远、镇远两舰。第二年，日本制订《征讨清国策》，天皇甚至拿出皇室经费30万日元以扩充海军。而北洋水师则停止了升级，海军经费被慈禧太后拿去修了颐和园，建了所谓的“昆明湖水师学堂”。
左宗棠对中国海防也有开拓之功。中国近代海防就始于1866年左宗棠建立的福州船政局和福建水师。到1907年，福州船政局共制造大小船舰约四十艘，辛亥革命后改称为“海军造船所”。为了培养海军人才，左宗棠在1866年还创办了福州船政学堂，即马尾船政学堂。到1873年3月，学堂共有学生和艺徒300余名。福州船政学堂是中国近代第一所海军学校，培养出了中国第一批海军将领和造船技术人员。著名的有邓世昌、严复、刘步蟾、林泰曾、叶祖?、林永升、李和、蒋超英、萨镇冰、林颖启、蓝建枢、刘冠雄、李鼎新、程璧光、黄鸣球、徐振鹏、郑清濂等。他们大多籍贯福建，这也造就了中国近代海军的“福建人时代”。
鉴于国内教育的落后，福建船政大臣沈葆桢在1873年上奏朝廷，请求将船政学堂学生派往欧洲进一步深造。沈葆桢的上书得到了李鸿章、左宗棠的支持，朝廷表示同意，于是造船科学生派往法国，驾驶科学生派往英国学习。洋务派还派出了留学美国的队伍，幼童留美开创了中国留学教育的先河，迈出了中国走向世界的第一步，为以后的庚款留美、留欧、留日及其它近现代留学教育摸索了方法，积累了经验。如留欧学生派遣时，吸取幼童留美教训，留学年限大为缩短，学生年龄更加成熟，国学功底更加深厚，专业选择上也更有针对性。通过留学生的派遣，中国的现代化进程被大大提速。1913年，留美幼童梁敦彦、詹天佑会同顾维钧、蔡元培、颜惠庆、王正廷、周诒春等在北京发起成立了欧美同学会，提倡“修学、游艺、敦谊、励行”。欧美同学会曾积极参加“五四运动”，推动“留法勤工俭学”，号召海外青年归国抗日，联系海外专家回国参加新中国建设，提倡“科教兴国”，为国家发展做出了一定贡献。
中国的19世纪是岳麓书院的世纪，以岳麓书院学子魏源、严如煜、陶澍、贺长龄为代表的湖南士大夫集团和曾国藩、胡林翼、左宗棠、郭嵩焘、刘坤一为代表的湘淮军事政治集团先后发起经世改革和洋务运动，对传统中国进行了修补，对现代中国进行了探索。然而，岳麓书院难以突破自己，洋务运动后时代的风头转向了广东。抢过岳麓书院风头的还有长沙本地的时务学堂和城南书院，其中城南书院后来改成了湖南第一师范学校。湖南一师校歌中唱到：“衡山西，岳麓东，城南讲学峙其中。人可铸，金可熔，丽泽绍高风。多材自昔夸熊封。男儿努力，蔚为万夫雄。”以天下为己任的精神仍然在湖南士人中传承，毛泽东、蔡和森都是湖南一师的学生。从1913年到1922年，毛泽东在湖南第一师范前后共生活九年。
在大清王朝的末日，岳麓书院也走到了终点。杨昌济在留学东西洋归来后，提出将岳麓书院改办成现代大学，并主持筹备。岳麓书院的继承者现为湖南大学和湖南师范大学，仍然以实学、伦理学著称于世。经杨昌济介绍，毛泽东在假期两次入岳麓书院寄读，对书院讲堂正门横匾上的“实事求是”印象深刻。若干年后，毛泽东对“实事求是”做了新的解释，并把这四个字写下来嵌在延安中共中央党校的大门口。毛泽东继承了湖湘文化注重实践、经邦济世的精神，抛弃了传统士子脱离人民、空谈道德的弊病。在留日学人杨昌济、李大钊、陈独秀的影响下，毛泽东走上了彻底的革命道路，并对曾国藩诸人进行了超越性的批判。几十年后，在毛泽东的领导下，中国发生了翻天覆地的变化。几十年后，毛泽东为湖南第一师范学校题写了新的校训：“要做人民的先生，先做人民的学生。”