設立總理衙門。全稱為總理各國通商事務衙門，一般稱作「總理各國事務衙門」，於公元1861年（咸豐十年）十二月初十日正式批准成立。它的實際職能是總攬新政的中央政府機構，是面對世界局勢、完全創新的機構。它不僅掌管清廷與各國間的外交事務，而且包括對外貿易、海關稅務、邊疆防務、海軍建設、新式工礦業，以及建新式學校、興修鐵路、礦務等，實際上它相當於清廷的內閣兼外交部。這是二千年來第一個專門處理外事的中央機構。總理衙門由親王一人總領，實為首席大臣，其他大臣從軍機大臣、大學士、尚書、侍郎等中指派充任。下設獨立公所，計有英、法、俄、美和海防五股等機構。其中，俄國股，兼理俄、日兩國外交事務；英國股，兼理奧地利交涉事務。美國股，掌辦對美、德、秘魯、意大利、瑞典、挪威、比利時、丹麥、葡萄牙各國交涉事務；法國股，兼理法國、荷蘭、西班牙、巴西各國交涉事務。後設海防股，掌管南北洋海防等。總理各國事務衙門的主旨是辦理同西方關係事務，創辦近代化事業，它的出現是中國走向近代化的一個標誌。隨之，設立駐外使領館。
出洋考察。西方國家兩次破門而入，清朝才被迫開門而出。中國走向世界，世界也走向中國。漢、唐盛世時，中國沒有人走出過亞洲，法顯和玄奘「取經」的「西天」，是印度而不是歐洲。明朝的鄭和下西洋也沒有到歐洲。清朝向西洋考察，開始於公元1866年(同治五年)。這年的春天，總稅務司赫德要回國結婚，向奕訢請6個月假，順便建議清政府派人到西方去考察。這正合奕訢的心意，於是上奏請派員出國考察並獲准，從而有了清政府派斌椿等人走出國門的破天荒事件。
斌椿，《清史稿》無傳，旗人。當時官員們對出國考察都不願去，也不敢去，而63歲的斌椿報名應徵。親朋故舊以「雲風險濤」相勸止，甚至有人以蘇武被扣匈奴相告誡，但他決心親自一試。斌椿是既受政府派遣、又為政府官員中赴西歐考察的「東土西來第一人」。公元1866年(同治五年)1月21日，斌椿率三名同文館的學生及自己的兒子廣英(為照顧其父同行)，離京從上海乘輪船出洋，經過一個月零八天的航程，到達法國馬賽。他在歐洲遊歷110多天，訪問了法、英、荷蘭、丹麥、瑞典、芬蘭、俄國、普魯士、挪威、比利時等國，於九月十八日回到北京。斌椿寫出《乘槎筆記》，第一次記錄下親眼所見諸如火車、輪船、電報、電梯、機器印刷、蒸汽機、攝影、起重機、抽水機、顯微鏡、幻燈機、紡織廠、兵工廠等。還第一次參觀並記述了歐洲博覽會、芭蕾舞、大英博物館、國家議院、近代報社、高等學院，以及法國的凡爾賽宮、凱旋門等。他看到了西方近代的科技與文明。
培養洋務人才。開辦外國語學校、實業學堂、近代軍事學校、派遣留學生等。同治朝新式學校最早者是京師同文館。從京師八旗子弟中選出10名學生，教員則由英國教士包爾騰擔任。同文館除了聘請洋人教授外語，還請徐樹琳教授儒家經典。當時的工薪，漢文教員年薪100兩，外國教師年薪1000兩。同文館學生膳食、文具全由政府承擔，每月另發10兩津貼。月課合格者獎銀32兩，季考合格者獎銀48兩，歲試及格者獎勵72兩。若三次考試都及格，共得獎銀152兩，加上每月津貼，每年得銀272兩。後來奕訢請在同文館開設「天文」、「算學」館，「采西學」、「制洋器」，引起了京師內外的軒然大波。有人說：學「西技」是「捨本求末」，講「氣節」才是「強根固本」。也有人認為：設立同文館將使中國傳統喪失，令中國官員士子向外人學習技藝，不僅是一大恥辱，而且將使中國「變而從夷」。
京師流傳出一副對聯：「鬼計本多端，使小朝廷設同文館；軍機無遠略，誘佳弟子拜異類師」。於是傳稱奕訢為「鬼子六」。前門外牆壁上出現「揭帖」，上寫：「未同而言，斯文將喪」，此帖裡嵌著「同文」二字，諷刺設立同文館，中國將喪失傳統文明。候補直隸知州楊廷熙呈遞條陳道：「西學」乃「西洋數千年魑魅魍魎橫恣中原」之學，請洋人為教員將使「忠義之氣自此消」，「廉恥之道自此喪」。有人將當年春旱，渲染為「天道示警」，攻擊是奕訢等人倡行「西學」而致，乃紛紛上折，要求同文館停止招考。更嚴重的是，大學士、同治皇帝的師傅倭仁也上書反對。他認為：「立國之道，尚禮義不尚權謀；根本之圖，在人心不在技藝。」又說：「古往今來未聞有恃術數而能起衰振弱者。」認為不必向外國學，以中國之大，「必有精其術者」。奕訢等遞上駁斥倭仁的奏折：僅尚空談，不切時務，中國將愈益落後。
英、法皆小國，卻幾次打敗中國，所恃者正是科學技術。朝廷一味因循敷衍，才一敗再敗。並請倭仁保舉「精其術者」。倭仁保舉不出人才，只好退讓。由於兩宮皇太后態度明朗，使攻擊同文館招生之風被壓下去。然而同文館的招生受到很大影響，原報名者98人，但參加考試者僅有72名，其中30人是為了有優厚獎學金而報考。半年後只餘下10名學員尚能跟上學業，遂與原來在館的八旗子弟合為一班。後在上海、廣州也開設了類似的學校，招收滿、漢子弟入學，只開設外語課，請美國人做教師。同文館後來聘請美國人丁韙良為總教習，開設化學、數學、天文、物理、國際法、外國史地、醫學、生理學、政治經濟學等課程，畢業年限改為8年，至此同文館初具一所綜合性高等學府之規模。作為第一所近代學堂開辦起來後，它帶動了其他近代學校的出現。該校在光緒二十八年(1902年)併入京師大學堂。它培養了一大批通「西學」的人才，其中僅駐外公使就培養出28人。
同治朝開設的新式學校，還有江南製造局附設的機械學堂、福州船政局附設的船政學堂等。福州船政學堂又稱「求是堂藝局」，是公元1866年(同治五年)由左宗棠主持福州船政局時附設。這所學校是近代較早開設的一所以學習自然科學為主的新式學校，同時又有軍事學校的性質，以培養海軍和造船人才為目的之一。
派留學生出國。同治十一年(1872年)，首批30名「幼童」奔赴美國留學，史稱「幼童出洋」。同治年間留學之風興起，與容閎分不開。容閎(公元1828—1912年)，廣東香山(今中山)人，公元1841年(道光二十一年)入澳門馬禮遜教會學堂讀書，家長想讓他學成後做買辦。後該校教員、美國人布朗回美國時，容閎隨他去了美國，成為近代早期留學生之一。他在美國先讀中學，後入耶魯大學，攻讀4年，於咸豐四年(1854年)獲該校文學學士學位後回國。公元1870年(同治九年)，曾國藩任直隸總督，容閎為其幕僚和譯員。他多次向曾國藩建議派遣留學生出國學習。同年，清政府批准了曾國藩等上奏派留學生的章程，決定派遣120名十二三歲幼童去美國留學，學習期限為15年，在上海成立留學出洋局管理此事。後以陳蘭彬、容閎為正副委員，常駐美國，經管留學生事務。幼童留學生年齡一般在12—16歲，出國前在上海培訓。因為當時風氣未開，招生工作極難進行，幼童父母都不願把孩子送到遙遠的大洋彼岸去。
如詹天祐，他的鄰居在香港做事，向其父介紹留學招生一事，並勸他送詹天祐報名。但其父要兒子走科舉正途，而不願意出去留學。這位鄰居再三說明去美國留學比科舉進士有出息，並提出如果詹天祐去美國留學，就把女兒許配給他。他父親才願送子出國，當時詹天祐才12歲。後來詹天祐學成回國，修築京張鐵路，建灤河大橋，稱著於世。幼童先受預備班半年教育，學習簡單的英語，瞭解美國情況。學校要求極嚴格，學習差的經常受體罰，幼童們都很努力，完成了預期學業。公元1872年(同治十一年)夏，經過考試選拔，第一批幼童30名，在上海乘輪船出洋。從同治十一年到公元1875年(光緒元年)，每年出國一批，每批30人，共有四批120人赴美國留學。幼童們到了美國，成為美國新聞中的轟動事件，美國總統還接見了他們。中國留學生給美國人留下「聰明能幹，彬彬有禮」的印象，並說他們是「中國的榮譽」。容閎提出並把他們分別安排在美國平民家庭中生活。美國的教師、醫生、紳士們紛紛把中國幼童領到自己家中，每個家庭對幼童都關懷備至，為他們提供較好的吃住條件，關心他們的學習和生活。他們成為中西文化交流的橋樑。