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，于同治九年（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。
后因成功调解天津教案，被任命为直隶总督，旋兼任北洋通商事务大臣。同治十一年（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”。同治三年（1864年），松江局迁到苏州，改为苏州机器局。
同治四年（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）。同治九年（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。
19世纪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”。
同治十一年（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。