光绪九年（1883年），中法战争在越南境内初起，清廷命李鸿章统筹边防战事。李鸿章则认为“各省海防兵单饷匮，水师又未练成，未可与欧洲强国轻言战事”。他先与法国驻华公使宝海签订“李宝协议”，旋为法国政府反悔，继与法驻日公使洽谈未果；当战争进入胶着状态时，慈禧改组军机处，主和舆论渐起。李鸿章在光绪十年（1884年）四月十七日与法国代表福禄诺签订了《李福协定》，五月，随着法军进攻谅山，协议又被撕毁，直至清军在广西和台湾战场分别取得胜利后，李鸿章才最终与法国代表巴德诺签订了《中法会订越南条约》，结束了战争。法国取得了对越南的“保护权”，中越边境对法国开放等特权。因此，时称“法国不胜而胜，中国不败而败”。
从客观上讲，无论是日吞琉球，还是法占越南，李鸿章都深切意识到，列强的威胁来自海上。因此，从七十年代起，就开始提出“海防论”，积极倡议建立近代化的海军。同治十三年（1874年），李鸿章在海防大筹议中上奏，系统提出以定购铁甲舰、组建北、东、南三洋舰队的设想，并辅以沿海陆防，形成了中国近代海防战略。中法战后，鉴于福建船政水师覆败，清政府决定“大治水师”，于光绪十一年（1885年）成立海军衙门，醇亲王总理海军事务，李鸿章为会办。利用这个机会，北洋海军建设成军。成军后的北洋海军，拥有舰艇25艘，官兵4千余人，在成军当时是亚洲最强大的海上力量。与此同时，李鸿章加紧旅顺、大沽、威海等海军基地的建设，以加强海防。但是，清廷文恬武嬉，内耗众生，户部迭次以经费支绌为借口，要求停止添船购炮，自此，北洋海军的建设陷于停顿、倒退的困境。
光绪十年（1884年），朝鲜爆发“甲申事变”，对朝鲜时存觊觎之心的日本，乘机出兵。时候，李鸿章与日本专使签署《天津条约》时，规定朝鲜若有重大事变，中日双方出兵需要事先知照。为甲午战争爆发结下祸胎。
光绪二十年（1894年），朝鲜爆发东学党起义，朝鲜政府请求中国出兵帮助镇压，李鸿章过于听信驻朝专员袁世凯的报告，认为日本“必无他意”，遂派直隶提督叶志超和太原镇总兵聂士成率军1500人赴朝。不料，日本此后立即向朝鲜派兵，在朝日军增至8000余人，事态趋于严重。李鸿章为设法避免战争，曾通过英、俄两国出面斡旋，但为日本拒绝。无奈下，只得增派军队入朝，和日本相抗衡。六月二十三日，日本军舰在丰岛发动突然袭击，击沉中国运兵船“高升”号，甲午战争爆发。
八月十六日，驻朝陆军在平壤与日军激战数昼夜后溃败，总兵左宝贵战死，统帅叶志超等逃回国内。八月十八日，北洋舰队与日本海军主力在黄海大东沟附近海域遭遇，经过近五小时的鏖战，中国军舰沉没4艘，日本舰队亦遭重创。此后，清军在鸭绿江、九连城等战场与日军激烈交战，但终未能挡住日军的攻势。最终，旅顺、威海等重要海军基地失守，北洋舰队覆灭。光绪二十六年（1900年）六月十二日，为收拾八国联军之役的残局，清廷再度授李鸿章为直隶总督兼北洋大臣，并连续电催其北上。李鸿章乘轮船至沪后，以身体不适为由迁延观望，部下及亲属也都劝其以马关为前车之鉴，不要再北上，以免又成为替罪羊。直至七月三十日，北方局面实在无法收拾，慈禧在逃亡途中电催李鸿章北上。一个月后，李鸿章抵京收拾残局，向八国联军求和。
二十七年（1901年）七月二十五日，李鸿章、奕劻代表清廷签署了《辛丑条约》，赔款4亿5千万两。
签约后两个月，被李鸿章倚为强援的俄国政府再度发难，提出“道胜银行协定”，试图攫取更大权益，并威逼李鸿章签字。“老来失计亲豺虎”，气恼交加，李鸿章呕血不起，于九月二十七日去世，临终时“双目犹炯炯不瞑”，带着无尽的遗憾，走完了他78岁的人生历程。
李鸿章原配夫人周氏，咸丰十一年（1861年）病故。继室赵小莲，系太湖望族、进士赵昀之女。侧室莫氏，侍妾冬梅。子三：嗣子经方；嫡子经述（赵氏所生）袭一等侯爵；庶子经迈（莫氏所生）。女三：分别适郭恩垕、任德和、张佩纶。