洋务派用力最多的，是建立军用工业。还在镇压太平天国的时候，咸丰十一年（1861），曾国藩就在安庆建立“安庆内军械所”，以手工生产仿制“洋枪洋炮”，并制造了一艘木壳轮船。同治元年（1862），李鸿章在上海设立“上海洋炮局”，手工铸造炮弹。次年，李鸿章又委派英国人马格里（H.Macartney）在松江附近设厂制造弹药。清军攻陷苏州后，李鸿章命马格里将该厂迁至苏州，添置一些机器，设立“苏州制炮局”。这是洋务派兴办新式军用工业的开端。
从同治四年（1865）江南制造总局设立到光绪二十一年（1895）中日甲午战争结束，30 年间，洋务派设立的规模大小不等的军用工业共21 个。其中由清廷中枢直接拨款、规模较大的有4 个，即江南制造总局、金陵机器局、福州船政局和天津机器局。各省督抚也纷纷自筹经费兴办军用工业，但大都是中小型的，只有张之洞创办的湖北枪炮厂规模较大。
江南制造局建于同治四年（1865）。是年，李鸿章购买上海虹口的美商旗记铁厂，又将上海洋炮局并入，并增添由容闳经手从美国购买的机器设备，合组成江南制造总局。同治六年（1867），该局由虹口迁至上海城南高昌庙。此后规模逐渐扩大，先后设立了机器厂、轮船厂、枪厂、炮厂、炮弹厂、水雷厂、炼钢厂、栗色火药厂、无烟火药厂等16 个分厂，还附设了学堂、翻译馆等，成为一家综合性近代军用工业。其主要产品有枪支、大炮、弹药、水雷、轮船、钢材等，都由清廷调拨，分发各地驻军。江南制造总局由于在资金经费方面得到清廷的大力支持，因此不论生产设备和技术力量，都是当时国内最大的兵工厂。
金陵机器局，也称金陵制造局。同治四年（1865），李鸿章署理两江总督，将马格里主持的苏州洋炮局随迁南京，改称金陵机器局。其规模计有机器厂3 处，翻沙、熟铁、木作车间各2 处，还有火箭局、火箭分局、洋药局、水雷局及乌龙山暂设炮台机器等， 主要生产弹药、枪支和大炮，产品大都供应李鸿章的淮军和天津大沽炮台。在清廷直属的4 个大型军用工业中，金陵机器局规模最小，“所出枪炮无多”，它为大沽炮台所造的大炮在演放时一再爆炸，质量低劣。
福州船政局，又名马尾船政局，是同治五年（1866）左宗棠任闽浙总督时向清廷建议设立的。由法国人日意格（P.Giquel）、德克碑（ P.D ’Aiguebelle）主持建厂和造船，还雇用几十名法国工匠。筹建不久，左宗棠调任陕甘总督，赴任前向清廷推荐前江西巡抚沈葆桢任总理船政大臣。船政局设有转锯厂、大机器厂、水缸厂、木模厂、铸铁厂、钟表厂、铜厂、储材厂、拉铁厂、锤铁厂、铁胁厂及船坞一座，并附设船政学堂，是一个设备比较完备的造船工厂。同治八年（1869），船政局造成的第一艘轮船“万年清”号下水。到同治十三年（1874），该局共造大小轮船15 艘。因合同期满，日意格及一部分法国工匠被辞退，有关船只的设计施工由船政学堂培养出来的人员主持。由于经费短缺，生产困难，加以光绪十年（1884）中法战争中遭到破坏，到光绪二十一年（1895），20 年中共造兵船19 只。船政局在造船过程中，技术上逐渐有所提高。最初只能造150 马力以下的木壳船，到光绪十三年（1887）造成了第一艘铁甲船，轮机也由旧式单机改成复合机，马力由150 增至2400。福州船政局在中国近代造船史上占有重要的地位。
天津机器局，是华北地区第一个官办军用工业。同治五年（1866），恭亲王奕䜣奏准在天津设局制造军火。次年，清廷委派三口通商大臣崇厚主持筹建。同治九年（1870）发生天津教案，崇厚出使法国，李鸿章接任直隶总督，兼管该局事宜。经过逐年扩充，天津机器局分设东西两处。东局设在城东贾家沽，主要制造火药、洋枪、洋炮、各式子弹和水雷，附设有水师、水雷、电报学堂；西局设在城南海光寺，以制造军用器具、开花炮弹为主，兼制造各种炮车器具、电线、电机等。所生产军火，主要供应淮系水陆各军。在光绪二十六年（1900）八国联军侵略战争中，遭到严重破坏。
湖北枪炮厂，是湖广总督张之洞在光绪十六年（1890）建于湖北汉阳。
光绪十九年（1893）初步建成，次年厂房因火灾被焚，甲午战争以后才得以修复，主要生产枪、炮、子弹、火药等。
洋务派在同治四年以后创办的近代机器军用工业，完全是官办的。经费主要来自海关关税、厘金、军饷等。所生产的军火直接调拨装备湘、淮军及各省军用，不是为进入市场交换而生产。这些官办的军用工业具有浓厚的封建性。所有局厂不但要受总督、巡抚的控制和监督，而且还要受总理衙门的节制。企业类同官府衙门，成为当权者安插亲朋故旧的地方。人员冗滥，甚至挂名领取干薪，营私舞弊，管理混乱，腐败现象严重。洋务派兴办的军用工业尽管具有封建性、落后性，但它毕竟在中国开了近代机器工业的先河，实行了雇佣劳动的形式，存在着资本主义性质的因素，客观上对中国社会生产力的发展和资本主义民用企业的产生，起到了一定的促进作用。
洋务派在兴办军用工业的同时，还训练新式陆军和建立新式海军。
训练新式陆军的起步，是整顿八旗、绿营。咸丰十年十二月（1861 年1月），奕䜣等人的奏折中即提出“自强之术，在于练兵”。咸丰十一年十二月（1862 年1 月），清廷批准了练兵章程。随即成立了神机营，并从京营八旗挑选精壮兵丁，演练洋枪洋炮和“洋人阵式”。同治三年（1864），神机营在这支队伍的基础上加以扩充，建立了“威远队”，成为一支拥有5000余人，融马队、步兵、炮兵于一体的洋枪队。同治五年（1866），总理衙门大臣奕䜣等从绿营中挑选精壮兵丁，按湘、淮军营制、营规编练军队，共选练六军，15000 人，称为“练军”。到光绪二十年（1894），全国绝大多数省份都相继建立了练军。此外，李鸿章的淮军和左宗棠部湘军也都较普遍使用外国新式武器。这些军队大都聘用英、法、德等国军人，按西方操典演练队列阵式。
除整编陆军外，洋务派还筹建新式海军、整顿海防。同治十三年（1874），日本侵略中国台湾，清廷以赔款作为日本撤兵的条件，于是筹办海防、海军的建议随之兴起。经过筹划，光绪元年四月（1875 年5 月），清廷任命直隶总督李鸿章和两江总督沈葆桢分别督办北洋、南洋海防事宜，开始了近代海军的筹建。在南洋、福建、北洋三支水师中，南洋水师起步较早，但发展缓慢，到光绪十年（1884）中法战争爆发前夕，共拥有舰艇14 艘，除福州船政局、江南制造总局所造外，余均购自英、德两国。福建水师是在福州船政局所造的部分舰船的基础上形成的，共有舰艇11 艘，其中9 艘为船政局自造，2 艘购自英国。中法战争时，福建水师在马尾港内遭法国军舰的突然袭击，几乎全军覆没。北洋水师于光绪元年筹建，起步较晚，但发展迅速，到光绪十年已拥有舰艇14 艘，初具舰队规模。光绪十一年（1885）中法战争后，清廷成立海军衙门，委派醇亲王奕䜣为总理海军事务大臣，庆郡王奕䜣、直隶总督李鸿章为会办大臣。海军衙门成立后，贯彻先发展北洋水师的方针。到光绪十四年（1888），北洋水师正式成军，各类舰船基本具备，共有25 艘。舰艇主要购自英国、德国，聘请英国海军军官为总查，按新式海军编制训练，并参照英国的规章制订了《北洋海军章程》。李鸿章还先后在旅顺口、威海卫等地布置防务，修筑炮台、船坞，成为北洋海军的两大基地。光绪十四年以后，北洋水师未再增添新式舰艇。这支苦心经营的海军，在光绪二十年（1894）中日甲午战争中全军覆没。
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