旅顺扼渤海咽喉，守津京门户，且水深口小，常年不冻，是难得的天然良港。为避免同样的失误，李鸿章特意委派英、德两国专家赴旅顺挑选筑台和建坞的具体地点。旅顺港历时十年建成，耗资三百多万两白银，前后分两期竣工。第一期工程结束后，旅顺港渐成规模，拥有炮台二十余座、大炮八十余门，拦水坝、积水渠、铁路及碎石马路、电报局、医院等配套设施一应俱全。第二期施工时，李鸿章采用公开招标形式，权衡再三，选定一家法国公司承建。法国工程人员顶着英、德等国的压力，使旅顺港工程顺利完工。此后，李鸿章又建成供停泊操练之用的威海卫基地，从而形成大沽、旅顺、威海的三角防御体系。
1894年，朝鲜爆发“东学党”起事。朝鲜政府通过清驻朝商务总办袁世凯转告李鸿章，希望清廷出兵镇压国内起事。刚刚亲政、急于有所作为的光绪帝多次令李鸿章出兵朝鲜。但李鸿章奏曰：北洋海军可战之船共有八艘，其余只能运输军饷和平时操练，海上交锋没有必胜把握；陆军兵力亦捉襟见肘，如抽调大部出境援朝，国内防务势必空虚。因此，我军应采取防守战略。光绪帝驳回李鸿章的奏议，下拨三百万两白银，要求其积极备战，随时准备出兵援朝。李鸿章仍然按兵不动。李鸿章一再拖延，引起朝中大臣的普遍不满。他们纷纷上书弹劾，认为他贻误战机、畏缩退让。日本军队占领朝鲜后，一直在寻找对中国发动战争的借口，李鸿章偏偏不采取任何行动，使日本白白在朝鲜耗费时日。
1894年7月23日，日本政府终于“忍无可忍”。日军攻入朝鲜皇宫，建立了傀儡政权。24日，朝鲜傀儡政权宣布对清宣战。25日，日本军队在丰岛海面偷袭中国护航舰和运兵船，正式发动侵华战争。李鸿章最担忧两件事：一是北洋海军缺乏优秀的军事统帅指挥前敌；二是北洋舰队几年没有添置新舰，防守有余，进攻不足。李鸿章制订了十六字方针：“严防渤海，力保沈阳，集中兵力，再图大举。”此战略虽强调海防之重要性，却忽略了辽东半岛和山东半岛，给战争的进行留下了严重隐患。
9月17日，北洋水师十一艘军舰护送清军在大东沟登陆后准备返航。途中遇到十二艘悬挂美国国旗的军舰。突然，十二艘船舰上的美国国旗全部换成日本旗帜，向北洋军舰发动袭击。中国军队奋起还击。双方激战了5小时，北洋舰队损失惨重：五舰被击沉，六舰负伤，死伤官兵千余人。日军有五舰受到重创，死伤六百余人，并先行撤离战场。
水陆两线作战清军全部溃败，一时议和舆论甚嚣尘上。慈禧令户部尚书翁同龢到天津同李鸿章商谈和战之事。翁同龢是当时主战派的领袖，见到李鸿章后严厉责问其为何迟迟不肯发兵，以致贻误战机！李鸿章怒目而视，冷笑道：“翁师傅主管户部，平时向您要经费时总遇冷脸，事到临头才来责问。我倒想问问您，那几条军舰能靠得住么？”翁同龢反问道：“为臣者本应尽职尽责，为何不再向朝廷请求？”李鸿章答曰：“朝廷疑我飞扬跋扈，大臣弹劾我贪财舞弊，我若继续索要经费，今天还有李鸿章么？”翁同龢争他不过，把话题引到战局问题：“东北乃龙兴之地，如果失守如何是好？”李鸿章坦白道：“奉天军队实靠不住，我鞭长莫及，东北防务一点把握都没有。”半个月后，辽东半岛沦陷，奉天危急！
北洋海军覆亡（2）
而此时，北京城内歌声悠扬，鼓乐冲天，正是慈禧太后的六十大寿。紫禁城和颐和园张灯结彩，喜气洋洋，丝毫看不出战争的痕迹。“老佛爷”五十大寿时就因法国人作祟没过好，这次可要好好庆祝一番。总管太监李莲英下令，这段时间内凡可能令“老佛爷”不高兴的事一律不准奏报！这一做法果然有效，慈禧下令，大赦天下，放假三天。李鸿章可没闲着，前线救急电报雪片似的发来。李鸿章加紧了求和步伐：一面派人以祝贺俄国新帝即位为名请求俄国出面调停；一面委托天津海关税务司德璀琳赴日议和。李鸿章对德璀琳充满期待，对外宣称：如果德璀琳和伊藤博文谈判顺利，中日可先停战，再议和。日本政府此时全无议和之意，认为德璀琳不符使者资格，拒绝与其谈判。德璀琳在日本呆了几天，连伊藤博文的面也没见着，觉得很没面子，便找个借口：“本日接到恭亲王电报，说日本政府已承诺由美国政府来仲裁，所以本人没必要在日本逗留，即刻返回中国。至于李鸿章的信函，我已在日本邮寄给伊藤伯爵。”随后灰头土脸地回到天津。日本报纸评论德璀琳此次斡旋是：“冒然而来，怅然而返，真是好生奇怪！”
李鸿章焦急等待德璀琳和美、德外交调解时，日军连续攻陷金州、大连，向旅顺猛扑。旅顺口与威海卫隔海相望，是渤海门户。日军决定以“重大伤亡代价攻取旅顺”。日军攻占旅顺后进行了惨无人道的屠城行动，全城仅留三十六人负责掩埋尸体。负责旅顺船坞工程的龚照玙，金州失陷后逃回天津。李鸿章令其回旅顺前线效力。然日军进攻旅顺时，他弃船厂于不顾，乔装改扮混在士兵中逃跑了。当时人们编了“文官三只手，武官四只脚”的歌谣讽刺淮军逃跑之快。李鸿章一生都以淮军为荣，此次败逃实使其遭受了不小的打击。
日军的下一目标是威海。李鸿章令丁汝昌不惜任何代价，也要守住威海卫。当时朝野均指认北洋水师提督丁汝昌贪生怕死、畏敌避战，要求将其立即撤职。北洋海军总教习德国人汉纳根评价道：“有人责备北洋海军，殊不知这不是北洋海军的过错，也不是丁提督的过错。有人钳制海军，丁汝昌不能做主。”这个人就是李鸿章。李鸿章认为中日军队实力悬殊，攻打旅顺时，丁汝昌曾请求舰队与日本决一死战。李鸿章坚决反对，对丁汝昌说：“你在威海卫守住那几只船，其余不关你的事！”
日本此时突然改变战略，在报纸上公开刊登议和“价码”：中国赔偿军费四亿两，并将日目前所占之区割让日本。清政府认为条件虽苛刻，却有议和的希望，任命邵友濂、张荫桓为全权大臣，赴日谈判。一向主张议和的李鸿章对此次议和态度并不积极，他认为日本此时提出议和，其中定有蹊跷。果然，清方使臣还未踏上东瀛，日军便发动更大攻势。二人使团的迅速成行明确显示出清政府无心恋战、急于求和的真实意图，也使日本政府坚信，战争越扩大就越有利可图。
1895年2月2日，威海卫失陷。统帅丁汝昌早已作好与北洋舰队同存亡的准备。丰岛海战后，他将儿子丁代禧留在身边，儿媳张氏和孙子丁旭山送回原籍。临行前他交代张氏：“我的生命已交给了国家，你一定要照看好我的孙子！”刘公岛保卫战开始后，丁汝昌向李鸿章表示：“唯有船没人尽而已！”丁汝昌派人将鸦片送到船上，以备如果不能战死就服毒自尽。为防止受伤军舰落入敌手，丁汝昌用广丙舰的鱼雷炸沉了已搁浅的靖远舰，又在定远舰中部装上火药，将其炸毁。定远舰管带刘步蟾吞鸦片自尽，实践了“舰队亡则人亡”的誓言。丁汝昌向广大官兵许诺的最后一天终于来到了。傍晚，丁汝昌收到李鸿章的电报，上面写着“援兵无期”！
最后的希望破灭了。深夜时分，水陆兵民万余人向他哀求活命。丁汝昌叹口气，道：“与军舰同生死是我的职责。但我的死可以救你们的命。”他向大家暗示自己死后可投降日军以求活路。并交代部下牛昶销毁北洋水师的提督印。丁汝昌服下事先准备好的鸦片，次日清晨气绝身亡。
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北洋海军覆亡（3）
牛昶和杨用霖主持了投降事宜。杨用霖当场拒绝，口诵“人生自古谁无死，留取丹心照汗青”的诗句走入船舱，饮弹身亡。护军统领张文宣同时自尽。美国人浩威建议以丁汝昌的名义投降，牛昶在投降书上盖提督大印。几人将责任推到丁汝昌身上。可怜丁汝昌死后蒙羞，家产全被没收，子孙流离失所。直到宣统二年（1910年），在威海商民联名提议下，方由袁世凯上奏为其平反昭雪。
1895年2月17日，日本舰队徐徐驶入威海港。中国镇远、济远、平远、广丙、镇东、镇西、镇南、镇北、镇中、镇边等十艘军舰换升日本国旗。只有康济舰仍悬挂黄龙旗，载送着丁汝昌、刘步蟾、杨用霖等六人的灵柩。下午1点，十艘中国军舰全部编入日本舰队。4点，康济舰在汽笛的哀鸣声中，冒着潇潇冷雨，凄然离开威海。李鸿章苦心经营的北洋舰队、精心培养的海军人才同他洋务救国的梦想一起覆没了。
炸炮三局
镇压太平天国的时候，李鸿章发现太平军用洋枪，尤其李秀成的部队洋枪最多，最不好打。他由此得出结论：外国“炮火绝妙精厉”，“只有用洋人的军火才能制服太平军”。1862年6月，李鸿章的淮军中出现了洋枪队。洋枪杀伤力有限，李鸿章很快领悟到“西洋兵法是以炮为主，以枪为辅”，而计划练成万人以上的炮兵，尽快将太平天国镇压下去。
新式炮兵装备的炮，须是洋炮。当时洋炮有长炮、短炮两种。长炮即加农炮，又分12磅、24磅、32磅等数种。12磅以下属轻炮，多用于野战，有效射程1000米，最大射程3500米；24磅以上属重炮，多用于近距离的攻城夺池，或者用来装备要塞。短炮类似于今天的迫击炮，又叫田鸡炮，因其形状如怒吼的青蛙而得名。这种炮炮身短小，口径颇大，发射时固定在45度角，通过增减炸药来控制射程远近，可用于野战，也可用于攻打城池。洋炮炮弹有实心弹、榴弹等几种，其中榴弹杀伤力和破坏力最大。
购买洋炮和炮弹，花费浩繁。英人从英国军舰上偷来的一颗12磅炸弹就卖三十两白银，一颗破的铜帽也要十九两白银。李鸿章的淮军虽然控制了全国商业中心上海，税收可观，又享受诸多特权，但时间长了，经济上也难以为继。于是，李鸿章向清廷奏准自办军火生产。
李鸿章首先调早有此志的丁日昌从广东急赴上海主持建造兵工厂。丁日昌还没赶到上海，李鸿章就迫不及待先派参将韩殿甲设一局开始制造军火。丁日昌赶到后，李鸿章命他再设一局，专门仿造国外各种新式炮弹。有了这两个局还不够，李鸿章又命知州刘佐禹与“英国专家”马格里共同主持第三局制造炸弹。李鸿章将三局合称为“上海炸炮三局”，当时人则统称它们为“上海洋炮局”。
炸炮三局所造之炮为轻便的迫击炮（田鸡炮），生产能力较为低下，一个月统共才造六七尊。三局中刘佐禹、马格里之局用了许多以蒸汽机为动力的西方机器，雇用了不少洋工匠。韩殿甲、丁日昌之局没有这样的条件，只能用中国工匠手工生产。一个月下来，刘佐禹、马格里之局生产炸弹四千多颗，而韩殿甲、丁日昌两局合起来不过六千余颗。后来，刘佐禹、马格里之局由上海迁往苏州称苏州洋炮局，厂址就设在太平天国的纳王府，马格里经李鸿章允准，又从国外购买了一批机器，大大提高了生产能力，一个星期即可生产两千枚炮弹，还能制造各种规格的开花炮，把上海两局甩在了后面。李鸿章署理两江总督后，将苏州洋炮局迁到南京，改为金陵制造局，始终将其置于自己的控制之下。
李鸿章的洋炮局越办越有名，由此成为公认的洋务派首领。李鸿章说：日本学习西方成功了，我们也一定能够成功。照此发展一百年，中国可永远自立。
江南制造总局（1）
1865年，正在镇压捻军的李鸿章收到丁日昌一封信，得知上海虹口有一个洋人办的铁厂，不仅能造枪炮，而且能制造轮船。如今洋人愿意出售，要价十万两。早想发展造船业的李鸿章十分动心，无奈囊中羞涩。恰在此时，有个被革职的海关道翻译愿拿出四万两银子促成此事，算为自己赎罪。李鸿章遂即让丁日昌再从海关拨借两万两银子，并把上海丁日昌、韩殿甲的洋炮局合并起来组成江南制造总局。
“总局”是李鸿章和曾国藩的创意，所谓“总”就是说不单单造船，还包罗各种机器。当然由于财力和人力有限，各种机器指的也都是军械方面的机器，开展民用工业是后话。这并不代表李鸿章不懂得民用工业的重要性，他早就对西洋机器的各种功用看得相当透彻。他说：洋机器可用于耕田、织布、印刷、制陶等，其妙就妙在能够借助水火的力量节省人力。这并没有我们想象的那么复杂，不外乎是一个机关牵引另一个机关，一个齿轮推进另一个齿轮，一个零件带动所有零件动起来罢了。它的样子很简单，一看就明白，它的原理也很容易理解。既然这么简单，我们中国人哪有不会的道理。我预料过不了几十年，中国富裕的农民、有钱的商人都会仿效洋人制造机器，通过机器赚大钱、谋大利。
言下之意是机器十分简单，靠它来发展民用工业，中国的农民、商人只要有钱都能自己解决，而官府所要做的是发展军事工业。
江南制造总局又叫江南制造局、江南机器局、上海制造局、上海机器局。下设五个分厂，分别负责生产不同的军用器械：一厂制造枪炮，二厂生产和修理船舶，三厂炼钢，四厂制造火药，五厂制造机器。附设翻译局，专门负责翻译国外的科技书籍，提供技术支持。还有图书馆、工艺厂、库房、公务厅地图局、大船坞等设施，一应俱全。后来，江南制造总局又添设了炼钢厂、栗色药厂和无烟药厂。钢厂里的炼钢炉每天能产钢3吨，可以用来制造炮筒和枪管；栗色药厂和无烟药厂制造枪炮用的火药。栗色药厂制造的栗色饼药，供新式大炮用；无烟药厂制造的无烟火药，供快枪快炮用。江南制造总局倾注了曾国藩、李鸿章师徒二人大量心血，从经费的筹措到机器的采购，从中外管理人员的委派到机构的设置，曾、李都亲自过问，费尽心机。
江南制造总局创办后，数年之间就造出轮船四艘，洋枪、大小开花炮、样火箭等数千件。
李鸿章说：江南制造局是中国最大的军工厂。
沈葆桢说：凡直隶督臣和江南各省使用的武器，都是由江南制造局提供的。
端方说：江南制造总局制造的枪炮弹药比以前有很大进步。枪炮、子弹、炼钢等厂成效昭然。
盛宣怀说：金陵、天津、福州、广州、汉阳等厂的兴起，都借鉴上海制造局的成规，是它开的好头。
可见江南制造总局在中国近代军事工业中的重要地位和作用。
江南制造总局最重要、也是曾国藩和李鸿章最关心的工厂是轮船制造厂。江南制造总局成立后，先是购买了拥有较为先进机器的铁厂，后又陆续添置了大船坞等一系列造船设施。曾国藩并特意奏请江海关的一成洋税作为江南制造总局轮船制造专用经费，正式雇佣了洋工匠开始造船。江南制造总局的造船厂分为三个部门，分别生产船壳、锅炉和汽机，用三个洋工匠作为三个部门的领工，再配置几百华工协助和学习。
1868年，江南制造总局造出了中国近代的第一艘大型新式兵轮。它长十八丈五尺，宽二丈七尺二寸，牵引力392马力，载重600吨，船身由坚木制成，内部机器系国外的旧机器休整后使用，而汽炉和船壳则是由总局自己制造的。曾国藩为之命名“恬吉”。继“恬吉”之后，江南制造总局几年之内几乎每