从 1864 年“用沪平吴”战争结束以后，李鸿章凭借江苏巡抚、署理两江总督的权势，把“自强”活动推进到一个新阶段。
李鸿章留心考察中外国情，逐渐形成了中国封建主义和西方资本主义的优劣观。他对清廷说：
中国文武制度，事事远出西人之上，独火器万不能及。
中国文物制度，迥异外洋獉狉之俗，所以郅治保邦、固丕基于勿坏者，固自有在。在李鸿章看来，中国的封建政治经济制度和孔孟之道是尽善尽美的，“迥异外洋獉狉之俗”，惟有军队的武器装备远逊于外洋，因而造成了“厝火积薪，可危实甚”的局面：“外国利器强兵，百倍中国，内则狎处辇毂之下，外则布满江海之间，实能持我短长，无以扼其气焰。盱衡当时兵将，靖内患或有余，御外侮则不足。”面对着这种险恶形势，李鸿章依据儒学传统中“穷则变，变则通”的原理，说明了中国因时变通的必要，并阐述了变通的本末观。
他说：“顾经国之略，有全体，有偏端，有本有末。”他一面断言中国封建的“文物制度”为“郅治保邦”之本，主张遵循儒家传统治略，内修政事，借以缓和阶级矛盾，巩固封建统治秩序：一面赞赏西方资本主义的“物质文明”，主张创办近代军事工业，仿造外洋枪炮，引进“制器之器”，并进而造就掌握先进工程技术的人才。他说：“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。”“觅制器之器与制器之人”，确实抓住了问题的要害，为中国跨过用手工制造机器的阶段、加速实现从手工制造到机器生产的转化开辟了道路。不过， 他把西方军事装备、机器生产和工程技术看作“末”，认为“取外人之长技，以成中国之长技”仅属“治标”性质，目的还在于固本。他向清廷明确表示：“必谓转危为安、转弱为强之道，全由于仿习机器，臣亦不存此方隅之见。……如病方亟，不得不治标，非谓培补修养之方即在是也，如水大至，不得不缮防，非谓濬川浍、经田畴之策可不讲也。”这表明李鸿章在追求西方文明的后面有一种更为强大的动力，“即对中国文物制度和传统哲学的不可动摇的信念”。
李鸿章主张“学习外国利器”，仿造外洋船炮，创办近代军工企业，实现军队近代化，目的之一是为了缩小中外军事力量对比时差距，抵御外国资本主义的侵略。他声称“机器制造一事，为今日御侮之资、自强之本”。当然，除了“御侮”之外，李鸿章还抱有镇压国内人民、延续清朝寿命的强烈愿望。他对清廷说：中国残寇未灭，“官兵陈陈相因之兵器，孰与御之？鸿章所为每念及此，不禁瞿然起立，慨然长叹”。
李鸿章认为要改变清军武器装备“陈陈相因”的局面，镇压所谓“潜师洋法”的“不肖之徒”，维护清朝封建统治，就必须仿造外洋船炮，建立近代军工企业。李鸿章清醒地认识到，“学习外国利器”，阻力重重。列强对先进武器“禁不出售，价值过昂”，而中国倘要仿造船炮，“外国疑忌讥嘲，皆所不免”。他对清廷说：
中国因循积弱之由，已非一日，忽焉改其故步，从彼问津，发愤自强之一念，岂能瞒过彼人，初或含愠不言，久必借端造衅。然外洋军火机器，运售无禁，彼既恃其擅绝之技，不妨炫奇于中上；其中又有独神之用，不畏盗法之有人。且机器之巧，兼备百工之妙，人门有得，自归一贯之中。在我心摹手追，固专注于军火制造；而向彼开宗明义， 当旁参于日用便民。如纺织、刷印、陶埴、代耕、濬河之类，必有机器房可以分往学习，而军火自可类及。善为说词，不见有机心之流露；则相忘无事，不遽启彼挨之惊疑。
李鸿章担心列强“借端造衅”，并非杞人忧天；然而他所设计的对策却是幼稚的。一靠“盗法”，二靠从学习“日用便民”机器入手而“类及”军火制造，固然可能收效于一时，但又怎能长久“瞒过彼人”使之不遽“惊疑”而允许中国掌握其军火制造的“秘法”呢？
“学习外国利器”的阻力，除了列强之外，还来自国内的顽固守旧势力。当时因循守旧的风气弥漫全国，蒙昧无知而又侈然自大的官僚士大夫们盘踞要津。这些顽固派承袭着“神明华胄”的荣光，昏睡于“天朝上国”的迷梦，闭目塞听，不知道世界形势的变化，不承认中国的衰弱，他们站在古旧的封建主义立场上，攻击李鸿章等洋务派“舍己从人，变乱成法”，“用夷变夏”，幻想把中国拖回到闭关自守的一统天下的旧时代里去。李鸿章深知只有取得清廷中枢的支持，才能排除顽固派的干扰，实现“自强”的理想。他把目光投射到奕訢、陈廷经身上，企图通过他们打通清朝最高统治者慈禧这道关节，开拓“自强”之路。由于“扶倾定危”而烜赫一时的奕訢，以议政王的名义，掌管军机处和总理衙门，总揽内政外交大权。他辅佐慈禧，倡导“自强”，力图使日益衰微的大清王朝得以“中兴”。1864 年 5 月李鸿章致函以奕訢为首的总理衙门，阐明了关于学习外国利器、引进外国“制器之器”和培养自己“制器之人”的“自强”主张；抨击了顽固守旧势力，论证了“皇然变计”的必要性。他指出：
中国士夫沉浸于章句小楷之积习，武夫悍卒又多粗蠢而不加细心，以致所用非所学，所学非所用。无事则嗤外国之利器为奇技淫巧，以为不必学。有事则惊外国之利器为变怪神奇，以为不能学。不知洋人视火器为身心性命之学者已数百年，一旦豁然贯通，参阴阳而配造化，实有指挥如意，从心所欲之快。他以海外区区小国日本及时改辙向西方学习而获得成功为例，断言中国一向讲求“穷极而通之故”，理应并完全“可以皇然变计”。奕訢等认为李鸿章“思虑防微”，与他们的想法不谋而合，因而于 6 月特地上疏陈言，并“将李鸿章来函录呈御览”。他们指出：“查治国之道，在乎自强，而审时度势，则自强以练兵为要，练兵又以制器为先。”现在应该以“剿贼”为名，“将外洋各种机利火器实力讲求，以期尽窥其中之秘，有事可以御侮，无事可以示威。”他们请饬火器营于曾经学制军火弁兵内拣派武弁 3 名、兵丁 40 名，发往江苏，交李鸿章差委，专令学习外洋炸炮炸弹及各种军火机器与制器之器，“务得西人之秘”。慈禧赞赏奕訢等人的主张，当即下谕批准奕訢等人的建议。慈禧的这一举动，固然是出于加强满洲贵族军事力量的需要，但她肯定练兵、制器以图自强的方针，不能不说是一个进步。
同年 10 月李鸿章再次致函以奕訢为首的总理衙门，交织着忧虑和期望地说：“洋人以船炮为性命”，但中国却“素不讲求，一旦改弦更张，智者虑其难成，愚者诧为多事。”然而外国侵略者业已“揍集海口”，“深入长江”，它们“藐视中国，非可以口舌争，稍有衅端，动辄胁制，中国一无足恃，未可轻言抵御，则须似求洋法习洋器为自立张本，或俟经费稍裕，酌择试办，祈王爷大人加意焉。”李鸿章还将上海道丁日昌密禀一件，附抄呈览。丁日昌提议“建设制造夹板火轮船厂”、“并准中国富绅收买轮船夹板，以裕财源而资调遣”。李鸿章推崇丁日昌“识议闳远”，并表示要设立制造外国船厂，“须以广购机器为第一义，精求洋匠为第二义。”奕訢等人十分欣赏李、丁建议，致函李鸿章说：丁日昌密禀“实能宣本衙门未宣之隐”，“阁下谓设立外国船厂，以广购机器为第一义，精求洋匠为第二义，下手功夫，有此把握，尤为切中机宜”，而“函内求洋法习洋器为自主张本之语，深心已露端倪，仍希随时悉心筹酌，其一切章程及如何筹划经费之处，统由阁下通盘核计入告”。
李鸿章对待奕訢，暗中贬之为“庸鄙无远识”，明里却邀宠以借重之，因而密切地注视着奕訢的宦海浮沉。奕訢支持慈禧垂帘听政，慈禧则授权奕訢主持中枢。一个外国人描写当时的局势是两个当权者，“在谨慎地互相监督着。”1865 年 3 月 31 日编修蔡寿祺疏劾奕訢揽权纳贿，词连曾国藩等汉族重臣。慈禧觉得自己脚跟已经站稳，对政务也“渐皆了然”，因而决意借机打击奕訢，压制曾国藩等汉族大臣，以便集权于一身，特于 4 月 2 日诏责奕訢妄自尊大，目无君上，诸多挟制，取巧妄陈，革去一切差使，不准干预公事。慈禧此举，震惊朝野。大学士倭仁公然出面赞助。曾国藩见到谕旨，读之寒心惴慄之至，竟日忡忡。由于外国公使干预和朝廷戚旧进谏，慈禧被迫让步，命奕訢仍在内廷行走，掌管军机处和总理衙门，但他的议政王的称号却被永远地剥夺了。李鸿章没有象曾国藩那样“惄然不安”，而是静观朝局的演变。他两次致函曾国藩说：“恭邸近事，轩然大波，倏忽转幻，朝廷听谗可畏，从谏亦可喜也。”“恭邸似可渐复，惟与艮相（倭仁字艮峰）嫌隙日深，仍恐波澜未已。”
除了借重奕訢外，李鸿章还寄希望于陈廷经。陈廷经（字执夫，号筱舫）系道光二十四年进士，由庶常授编修，累官内阁侍读学士，时任巡视南城掌四川道监察御史，以通洋务、敢直言而名重京师。李鸿章企图要结之，并进而影响清廷。1864 年 10 月他致书陕廷经，从敌国外患和中外军力对比立论，阐明中国“及早自强，变易兵制，讲求军实”的紧迫性及其具体内涵；抨击顽固派抱残守缺，昧于大势。他说：“兵制关立国之根基，驭夷之枢纽，今昔情势不同，岂可狃于祖宗之成法？”然而中国顽固派闭目塞听，不了解敌我强弱之势，一旦有变，曰“吾能御侮而破敌，其谁信之？狃于目前小胜，谓内贼不足平，外患亦不足虑，其又能自信耶？”他疾首蹙额、深长叹息：“鸿章略知底蕴，每于总理衙门函中稍稍及之。朝廷即欲变计，亦恐部议有阻之者，时论有惑之者，各省疆吏有拘泥苟且而不敢信从者，天下事终不可为矣。吾丈知爱素深，究心机要，附陈一一，伏希心鉴。”情见乎词，李鸿章这番颇带感情的议论，果真打动了陈廷经。1865 年 1 月，陈廷经奏陈绿营水师废弛，建议“讲求兵制”，整顿营伍，筹划海防，置造外洋船炮，“以靖内患、御外侮”。清廷根据陈廷经的请求，让曾国藩，李鸿章会同商酌。李鸿章上疏积极响应。
李鸿章鉴于自己“求洋法习洋器为自立张本”的主张，获得清廷赞许，便精心筹划建立起以应用机器为基础的军事工业——江南制造总局和金陵机器局。
江南制造总局，又称上海机器局，简称沪局。江南制造总局的创建，和曾国藩有密切关系。1863 年盘踞安庆的两江总督曾国藩“拟设立铁厂”，特派从美国留学归来、怀有用西方科技文明改造中国愿望的容闳（字醇甫）赴美购买“制器之器”。时任江苏巡抚的李鸿章遵示拨款万两，“交令速往”，并复函曾国藩说：“西人制器之器，实为精巧。醇甫此行，当可购到。海疆自强，权舆于是。”当时李鸿章与上海道丁日昌彼此讲求御侮之策、制器之方。李鸿章认为，先前设立的炸弹三局，“机器仅值万余金，不全之器甚多”，急需“买制齐全”，若托洋商回国代购，路远价重，毫无把握；不如就近在上海“访有洋人出售铁厂机器，确实查验议价定买，可以立时兴造”。1865年，李鸿章让丁日昌访求数月，购得设在上海虹口的美商旗昌铁厂，合并原由丁日昌、韩殿甲主持的两个炮局，于 9 月奏准成立江南制造总局。容闳所购机器，‘亦于是时运到，归并一局。所有局务，责成丁日昌督察筹划，先造枪炮兼造制器之器。1867 年该局迁至上海城南高昌庙，建造机器厂、洋枪楼、汽炉厂、木工厂、铸铜铁厂、熟铁厂、轮船厂等，开始制造兵轮。后来，该局于 1868—1870 年间，陆续设立翻译馆、汽锤厂、枪厂，并在龙华镇建厂制造洋枪细药及铜帽炮引，使之逐渐成为一个以生产枪炮弹药为主、辅之以修造船舰的综合性新式军用企业。
金陵制造局，简称宁局。1865 年，李鸿章升署两江总督后，将马格里主持的苏州洋炮局迁到南京，在雨花台设厂，改称金陵机器局。此后，逐渐扩充规模，改良设备，到 60 年代末，已能制造多种口径的大炮、炮车、炮弹、枪子和各种军用品。
李鸿章除了创办沪、宁两局外，还参与了天津机器局的筹建工作。1865年 5 月，清廷在飞谕李鸿章派兵北援的同时，命其派员赴津在崇厚主持下开局铸造炮弹，以资应用。崇厚是满洲镶黄旗人，完颜氏，字地山，时任三口通商大臣。清廷此举，“隐寓防患固本之意”，企图建立由满洲贵族直接控制的军火工厂，打破汉族官僚对新式军工企业的垄断，借以扭转外重内轻的局面。李鸿章看穿了清廷的真实用心，采取了敷衍态度。6 月，他在复奏后第三天，致函率兵北援的潘鼎新说：“天津设局制造，奏中姑宕一笔。俟弟到直，如再有旨催，容与雨生商办。”“崇（厚）等如太外行，或多批斥，即作罢论。”8 月他函询潘鼎新：“天津设局制造一事，崇公如何商议？彼太外行，或不甚究心，便可从缓。”“奏中姑宕一笔”、“便可从缓”、“即作罢论”云云表明，只要再无廷旨，就想一推了之。其实，崇厚并非“外行”，他早在 1862 年就在天津小规模试制军用物品和炸弹，加之奕訢意在必行，所以李鸿章不得不筹商定议。9 月 20 日他上疏表示：“前奉议饬以天津拱卫京畿，宜就厂中机器仿造一分，以备运津，俾京营员弁就近学习，以固根本。现拟督饬匠目随时仿制，一面由外购求添补，但器物繁重，非穷年累月，不能成就，尚须宽以时日，庶免潦草塞责。”他既答应为天津仿制和购求机器，又要求“宽以时日”，为缓办预留地步。崇厚秉承奕訢等意旨，专函详询李鸿章“何时可以购齐”。李鸿章复信说须到“明年（按指同治五年）夏秋之间，得有眉民，可以筹运”。1866 年 10 月奕訢等正式奏准在天津设局，专制外洋各种军火机器，由崇厚筹划办理。崇厚一面向香港购买修造枪炮和仿制炸弹、开花炮等机器，一面寄希望于江南制造总局。然而不久即奉命北上“剿捻”的李鸿章，既散布消极情绪，说津局之设，“恐难遽成”；又撒手不管，听之任之。于是主持沪局的丁日昌。便负起筹划支援天津设局的重任。丁日昌从上海旗记、旗昌两洋行买到八种机器设备，并令沪局代造“铸炮及铸弹所用器具”，分别于 1868、1869 年解运天津。及至 1870 年就任直隶总督、北洋大臣的李鸿章，竟然坐享其成，把津局置于自己的控制之下。
沪、宁二局虽然名曰机器局，但实际上却是专门制造军械的兵工厂。它们用蒸汽机作动力，以机器为劳动手段，雇佣了一批残存着封建工役制度遗痕、以商品形式出卖劳动力的产业工人。这表明旧中国出现了一种新的社会生产力，然而这种新的社会生产力，却被纳入封建主义生产关系的框框里。它们不是典型的资本主义企业或封建官府工业，而是封建官府工业向资本主义企业转化的中间形式。
沪、宁二局属于清政府所有，采用官办方式。李鸿章虽然深知“洋机器于耕织、刷印、陶植诸器皆能制造，有裨民生日用，原不专为军火而设”，并且预料到“数十年后，中国富农大贾，必有仿造洋机器制作以自求利益者”，凭借政治权力无法阻遏资本主义近代工业的兴起，但却主张“铜钱、火器之类，仍照向例设禁，其善造枪炮在官人役，当随时设法羁縻耳。”他懂得官府垄断“铜钱”和“火器”制造，是历代封建王朝统治人民、巩固政权的法宝，清政府为自身安全计，必须沿袭旧制，严禁私人染指。沪、宁二局资金来自清政府的财政调拨，关税、厘金和军需项下的拨款成为它们营运资金的主要来源。它们生产出来的枪炮、弹药和船舰，大部分直接调拨给湘淮军和沿海各省使用，小部分由各省以协饷等名目调换，只作为代办性质收取成本费，不以商品形式参加市场交换，企业本身没有盈亏可言，没有从利润转化来的资本内部积累。企业的繁荣和停滞，不取决于市场需求和企业本身生产，而取决于政府的财政盈绌和拨款多少。先进的技术设备，要求有一个与之相适应的管理体制。沪宁二局虽然是以应用机器为基础的近代军事工业，但却采取了一套封建的管理制度。每个局都不是独立的企业单位，而是政府的分支部门，成为行政系统的一个环节。上面有总署节制、督抚监督，有督抚任命、呈报总署核准或备案的总办主持，襄理局务者为会办，下面有提调、委员、司事等。机构庞杂，冗员充斥，大部分经费用于开支薪水和工食，办事拖拉，效率低下，生产成本高昂，随着岁月的流逝，此类弊端日趋严重。
沪、宁二局创建于经济落后的国度里，从机器设备、原料燃料到技术人员不能不仰赖于外国。李鸿章承认淮军“炮队所用器械子弹，尽仿洋式，所需铜、铁、木、煤各项工料，均来自外国”。沪局“各船虽系自造，而大宗料物无非购自外洋，制造工作亦系洋匠主持，与购买外洋船只略同。”宁局也不例外。李鸿章非常器重马格里，遇到疑难问题，总是找马格里做顾问。当然，李鸿章并非甘愿长期仰赖外人。他认为起初不得不雇洋人指导，但“经久之道”还在于培养自己的技术人才，希望“内地员匠，学其器而精通其意，久之自能运用，转相传习”。“雇用洋匠”和“定购外国机器”，也必须坚持自主之权。他特意向清廷称颂为此而做出贡献的湖北补用道沈保靖，说沈保靖“前经臣委令督办上海机器局，事事皆赖其创制，如雇用洋匠，进退由我，不令领事税务司各洋宫经手，以免把持。定购外国机器，货料自择，各洋商评订收货给银，务取该国发货洋文单为凭。委员各有专司，其冗食不究心者汰去之。华匠学徒，按日点工给价，无稍冒混。立法最称精善。”
李鸿章创设沪、宁二局，制造精利武器，装备清朝军队，虽然具有“靖内患”、“御外侮”的双重意图和作用，但在不同历史时期，由于中国社会主要矛盾的变化，所谓“靖内患”和“御外侮”两者的地位却有所不同。沪、宁二局在创办后的 5、6 年间，矛头主要是对着国内人民的。当时在共同镇压太平天国的基础上，中国封建统治者和外国侵略势力之间出现了一个暂时的“和好”局面。清政府对外国侵略者采取了“守定和约，绝无更改”、“遇事曲从，故为迁就”的方针，不惜以民族国家主权来换取“大清社稷之安”。外国侵略者则采取了所谓“合作政策”，主张各列强在一切有关侵华的重大问题上彼此进行协商合作，不用单独的军事手段而用联合的外交手段来实现其共同的侵略目的；各列强赞助清政府镇压人民革命、维护统治秩序，而清政府则必须忠实履行不平等条约所规定的“义务”。这种“合作政策”，对各个列强都是有利的。在中外“和好”之际，清朝封建统治继续受到国内以农民为主体的各族人民反抗斗争的冲击。南方的太平天国余部、北方的捻军、以及西南、西北的少数民族反清斗争，方兴未艾。其中捻军一度掀起强大的风暴，横扫中原、华北各省，威逼京畿重地。
基于这样的国际国内形势，清朝统治者深感“心腹之害”，并非外国侵略者，而是奋起反抗的各族人民。李鸿章环顾左右，清醒地认识到当务之急是“靖内患”，而不是“御外侮”。因此，他在沪局创办伊始，就指令“仍以铸造枪炮、藉充军用为主”。当时铸造的枪炮，还是旧式的前膛枪、劈山炮和生铜炮。1866 年他对总理衙门说：“从前置办机器之议，本为兼造枪炮轮船而设，当时以轮船体大物博，未易挈短较长，而洋枪小炸炮最利陆军攻剿，当务为急，是以开办铁厂，注意学制洋枪炸炮。”1868 年曾国藩回顾说：沪局“始以攻剿方殷，专造枪炮。亦因经费支细，难兴船工。”及至 1867年经奏淮“拨留洋税二成，以一成为专造轮船之用”，才开始制造船舰。1870年李鸿章奏报清廷：沪局开设数年，已造成轮船 4 只，洋枪、大小开花炮、洋火箭等项，接济各军，应用者均不下数千件。宁局也是这样，“制造炮位门火、车轮盘架、子药箱具、开花炸弹、洋枪、抬枪、铜帽等项，解济淮军及本省留防勇营之用。”一位外国人说：李鸿章北上“剿捻”，“带着英国军官在凤凰山给他训练的军队，并且携带了金陵制造局给他制造的大批军用物资和许多门大炮。”
沪、宁二局名为清政府所有，实则控制在李鸿章之手，被视为淮系的私产和政治资本。李鸿章在创办沪、宁二局不久，即奉命北上“剿捻”，“驰驱在外，未能躬亲督率”，因而特地向清廷声明，他所创办的军事工业，乃是淮系的“命脉关系，诚不敢轻以付托”。他继续监督沪局，宁局也“仍听他指挥”。