1879年(清光绪五年)，被李鸿章调北洋海防差用。也属洋务运动代表人之一。
1881年1月，率北洋水师官兵200余人赴英国，接带清政府在英订购的“超勇”和“扬威”巡洋舰回国。
1888年，北洋海军正式成军，出任北洋海军提督。在任职期间对北洋海军和北洋海防的建设呕心沥血,严于律己,但整肃军纪不够严厉,贪腐严重,但其人严重依赖李鸿章,言听计随，北洋海军在其领导下,俨然李氏家军.
1891年，率舰队访问日本。鉴于日本海军的发展，回国后曾陈请清政府再购新舰，增强北洋海军实力,以防外患,未被采纳。
1894年7月丰岛海战后，命令加强各舰防护，以备再战。9月中旬,奉命率北洋舰队主力护送运兵船队赴大东沟,17日准备返航时发现日本舰队，即令舰队起锚迎敌。由于舰队所取接敌队形严重失当，加之负伤后中断指挥，北洋舰队遭受重创，被革职留任。
1895年1月30日～2月11日，在威海卫之战中,指挥北洋舰队抗击日军围攻，但未得到上级命令,无奈港内待援,致北洋海军陷入绝境。弹尽粮绝后又无援军来援的希望,拒绝了日本联合舰队司令长官伊东祐亨的劝降和北洋海军洋员瑞乃尔等的逼降，但对大清政府已绝望，服鸦片自尽以谢国人。
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