在与各国政要交流时，他深刻体会到了西方政治制度的特点和优势。有一次，他在公共场合因随地吐痰又抽烟遭服务员指责，这让他强烈意识到中国与西方在文明素养和社会治理方面存在的巨大鸿沟。
回国后，他将这些所见所闻、所思所感进行了整理与反思，但这些成果最终却因晚清的腐朽统治未能得到有效运用。
1900年，八国联军侵华，北京沦陷，慈禧太后携光绪帝逃往西安。清政府派李鸿章与庆亲王奕匡等与列强谈判。国人对李鸿章签订不平等条约的行为声讨不断，称他为“卖国贼”。但李鸿章也努力争取，将赔款数额从最初的10亿两白银降至4.5亿两。
李鸿章深知铁路对国家经济发展和国防建设的重要性，积极推动铁路的修建。在他的努力下，中国陆续修建了唐胥铁路、津沽铁路等重要铁路干线。他在推动铁路建设时面临诸多困难和阻力，保守势力认为铁路会破坏风水、惊扰祖宗神灵，资金短缺、技术落后等问题也制约着铁路建设的发展。
虽然北洋水师在甲午战争中全军覆没，但李鸿章并未放弃对近代海军建设的努力。战后，他积极主张重建海军，提出一系列改革和发展海军的建议，强调加强海军人才培养，提高海军装备水平和作战能力。尽管这些主张因种种原因未能充分实施，但他对近代海军建设的关注和努力，为后来中国海军的发展奠定了一定基础。
李鸿章还积极参与中国的经济改革和开放，主张引进西方先进技术和管理经验，发展近代工业和商业。在他的推动下，中国陆续开放一些通商口岸，加强与外国的经济交流与合作。
他还鼓励商人投资兴办企业，支持盛宣怀创办轮船招商局、电报局等企业，为中国经济发展做出了贡献。在与西方列强的交往中，他也积极推动文化交流，派遣留学生到西方学习先进科学技术和文化知识，邀请西方学者和专家到中国讲学交流，促进了中国文化的现代化进程。
1901年9月7日，李鸿章代表清政府签订了《辛丑条约》。这一不平等条约犹如沉重的枷锁，将中国进一步拖入半殖民地半封建社会的深渊。签字回来后，李鸿章内心悲愤交加，他明白这份条约给国家和人民带来的是无尽的苦难，而自己也彻底沦为了历史的罪人。