平定捻军
同治四年（1865年）四月二十四日，剿捻统帅僧格林沁全军覆没于山东菏泽。清廷即任命曾国藩为钦差大臣，北上督师剿捻，以李鸿章署理两江总督，负责调兵、筹饷等后勤事宜。由于湘军大部已裁撤，因此曾国藩北上率领的多为淮军。起初仅“铭”、“盛”、“鼎”、“树”四军共2.7万人，另带湘军刘松山部约8千人。后又命李鸿章的六弟李昭庆招练马队2千人，并增调淮军杨鼎勋、刘秉璋、刘士奇、吴毓芬、王永胜等部共2.7万人，加上刘铭传新募的新营，总兵力6万余人。
曾国藩一到前线，即采用刘铭传、李鸿章等拟定的方针，决定“以有定之兵，制无定之寇”，在安徽临淮、河南周口、江苏徐州、山东济宁四镇屯扎重兵，一省有急，三省往援。后来，曾国藩又在运河、黄海、沙河和贾鲁河一带分兵设防，实行“画河圈地”之策。但是，一方面，当时捻军正值势旺，作战快速多变，枯守堵御一时难以奏效；另一方面，曾国藩也无法有效指挥淮军。因此，历时一年半，曾国藩督师无功，清廷不得不于五年（1866年）十一月初一，改命李鸿章为钦差大臣，接办剿捻事务，令曾国藩仍回两江总督本任。
李鸿章上任后，淮军继续扩军，李昭庆所部一军扩至19营，名武毅军，并添调“魁”字2营、亲兵1营、“凤”字7营。此外，又借调唐仁廉马队3营。合计剿捻兵力达7万人。李鸿章于十一月二十三日抵达徐州时，捻军已一分为二，赖文光、任柱等率东捻军仍留在中原作战，张宗禹、邱远才等则率捻军入陕西。李鸿章首先决定倾全力对付东捻军。他虽然仍坚持采用“以静制动”的战略方针，但鉴于曾国藩分防太广，难以奏效的教训，改为“扼地兜剿”的战法，即力图将捻军“蹙之于山深水复之处，弃地以诱其入，然后各省之军合力，三四面围困之”。在具体实施这一战略时，大致经历了三个阶段：
第一阶段自同治五年（1866年）十一月至次年四月，实施“臼口之围”，主战场在湖北。李鸿章挂帅之初，正值东捻军突破曾国藩原设的贾鲁河——沙河防线，集结于湖北臼口一带，兵力约十万人。李鸿章迅速调动湘淮军各部7万余人，分路进击，意图一举歼灭。
同治五年十二月（1867年1月），淮军“松”字营在安陆罗家集被捻军击败，统领郭松林受重伤。半个月后，“树”字营在德安杨家河被捻军歼灭，统领张树珊阵亡。六年（1867年）元月，双方主力在安陆尹隆河展开决战，湘淮军两大主力“霆”军与“铭”军原订同时发兵，但两军统领刘铭传与鲍超互相轻视，刘铭传为抢功而下令提前单独进击，结果遭捻军痛击，部将刘殿魁、田履安阵亡，刘本人“衣冠失落”，坐以待毙。辛苦鲍超赶来，从背后发起猛袭，才反败为胜，捻军损失2万余人。事后，李鸿章一意回护刘铭传，鲍超反被诉为虚冒战功。由是，鲍超郁愤成疾，执意告退，所部“霆”军32营大部被遣散，只留唐仁廉择精壮，另立“仁”字营，并入淮军建制。二月，东捻军又全歼湘军彭毓橘部，并于四月间突破了李鸿章设置的包围圈。
第二阶段自同治六年（1867年）五月至十二月，实施胶莱河、运河防线，主战场移至鲁东。东捻军在跳出包围圈后，复于五月突破运河防线，直趋山东半岛。在刘铭传、潘鼎新的建议下，李鸿章确定采取“倒守运河”之策，又在胶莱河两岸增设了内层防线，调淮军、东军、豫军分段防守。由于山东巡抚丁宝桢不愿将辖地变做战场，消极怠工，疏于防范，结果东捻军在七月间突破胶莱河防线。经过一场激烈的争执后，李与丁重修旧好，协力将东捻军堵御在黄海、运河、六塘河及大海之间的狭窄地带，使捻军“以走制敌”的优势无法发挥。十月，任柱在苏北赣榆战死，随之东捻军在寿光一战损失3万余精锐。十二月，赖文光率残部突破六塘河，南走至扬州被捕杀。东捻军覆灭，李鸿章因功赏加骑都尉世职。
第三阶段是同治七年（1868年）上半年，在直东战场与西捻军交战。当东捻军困厄之时，西捻军紧急驰援，以进军直隶威胁京畿而迫清军回救。元月，西捻军抵达保定，清廷大震，急调李鸿章、左宗棠及直、鲁、豫、皖各督抚率军北上勤王。时李鸿章正驻军济宁度岁，分派诸将北援，竟无一人应命，且纷纷求退，聚讼不休，淮军几至瓦解。李鸿章以救援不力，受到拔去双眼花翎、褫去黄马褂、革去骑都尉的处分。对此，李鸿章认为是“左公放贼出山，殃及鄙人”。但当危难之际，李鸿章仍耐心说服潘鼎新等将领遵旨北上。同时，清廷也命恭亲王奕訢节制各路大军，并协调左、李关系。
在清军的协力堵截下，张宗禹率领西捻军于二三月间，一直在直鲁边境徘徊。四月二十九日，李鸿章与左宗棠会于德州桑园，议定“就地圈围”之策，引运河水入减河，引黄河水入运河，命淮军、东军、皖军分段驻守，又调湘淮军精锐作为追剿的“游击之师”。六月初，西捻军与跟踪追击的湘淮军数次接战，迭遭惨败。六月中旬，张宗禹率部在德州一带数度抢渡运河未成，适逢黄、运、徒骇各河河水陡涨，处境更难。六月二十八日，在转移途中，与淮军主力刘铭传、郭松林、潘鼎新部遭遇，一场激战，西捻军伤亡殆尽，张宗禹等二十余人突围至徒骇河边，不知所终。
西捻军覆灭后，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。
回武昌后，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。
李鸿章利用上海富绅的银两引进洋人的机器设备，于1863年左右创办了中国第二个近代军工企业：上海洋枪三局（第一个是曾国藩1861年创办的安庆内军械所）。李鸿章算过一笔账：一发英国的普通炮弹在市场上要卖到30两银子，1万发铜帽子弹要卖到19两银子。
1865年4月24日，剿捻统帅僧格林沁全军覆没于山东菏泽。清廷即任命曾国藩为钦差大臣，北上督师剿捻，以李鸿章署理两江总督，负责调兵、筹饷等后勤事宜。由于湘军大部已裁撤，因此曾国藩北上率领的多为淮军。起初仅“铭”、“盛”、“鼎”、“树”四军共2.7万人，另带湘军刘松山部约8千人。后又命李鸿章的六弟李昭庆招练马队2千人，并增调淮军杨鼎勋、刘秉璋、刘士奇、吴毓芬、王永胜等部共2。7万人，加上刘铭传新募的新营，总兵力6万余人。然而历时一年半，曾国藩督师无功，清廷不得不于1866年（同治五年）十一月初一，改命李鸿章为钦差大臣，接办剿捻事务，令曾国藩仍回两江总督本任。
同治六年（1867年）授李鸿章为湖广总督，仍在军营督办剿捻事宜。他在军事上坚持上任曾国藩“以静制动”的战略方针，顺利镇压剩余捻军。
同治八年（1869年）二月兼署湖北巡抚，12月被任命赴贵州督办苗乱军务。同治九年（1870年）七月接替曾国藩办理天津教案，后因成功调解天津教案，八月调任直隶总督，后又兼任北洋通商大臣。同治十年（1871年）七月与曾国藩会奏陈兰彬选聪颖子弟赴美国留学。