设立总理衙门。全称为总理各国通商事务衙门，一般称作“总理各国事务衙门”，于公元1861年（咸丰十年）十二月初十日正式批准成立。它的实际职能是总揽新政的中央政府机构，是面对世界局势、完全创新的机构。它不仅掌管清廷与各国间的外交事务，而且包括对外贸易、海关税务、边疆防务、海军建设、新式工矿业，以及建新式学校、兴修铁路、矿务等，实际上它相当于清廷的内阁兼外交部。这是二千年来第一个专门处理外事的中央机构。总理衙门由亲王一人总领，实为首席大臣，其他大臣从军机大臣、大学士、尚书、侍郎等中指派充任。下设独立公所，计有英、法、俄、美和海防五股等机构。其中，俄国股，兼理俄、日两国外交事务；英国股，兼理奥地利交涉事务。美国股，掌办对美、德、秘鲁、意大利、瑞典、挪威、比利时、丹麦、葡萄牙各国交涉事务；法国股，兼理法国、荷兰、西班牙、巴西各国交涉事务。后设海防股，掌管南北洋海防等。总理各国事务衙门的主旨是办理同西方关系事务，创办近代化事业，它的出现是中国走向近代化的一个标志。随之，设立驻外使领馆。
出洋考察。西方国家两次破门而入，清朝才被迫开门而出。中国走向世界，世界也走向中国。汉、唐盛世时，中国没有人走出过亚洲，法显和玄奘“取经”的“西天”，是印度而不是欧洲。明朝的郑和下西洋也没有到欧洲。清朝向西洋考察，开始于公元1866年(同治五年)。这年的春天，总税务司赫德要回国结婚，向奕请6个月假，顺便建议清政府派人到西方去考察。这正合奕的心意，于是上奏请派员出国考察并获准，从而有了清政府派斌椿等人走出国门的破天荒事件。
斌椿，《清史稿》无传，旗人。当时官员们对出国考察都不愿去，也不敢去，而63岁的斌椿报名应征。亲朋故旧以“云风险涛”相劝止，甚至有人以苏武被扣匈奴相告诫，但他决心亲自一试。斌椿是既受政府派遣、又为政府官员中赴西欧考察的“东土西来第一人”。公元1866年(同治五年)1月21日，斌椿率三名同文馆的学生及自己的儿子广英(为照顾其父同行)，离京从上海乘轮船出洋，经过一个月零八天的航程，到达法国马赛。他在欧洲游历110多天，访问了法、英、荷兰、丹麦、瑞典、芬兰、俄国、普鲁士、挪威、比利时等国，于九月十八日回到北京。斌椿写出《乘槎笔记》，第一次记录下亲眼所见诸如火车、轮船、电报、电梯、机器印刷、蒸汽机、摄影、起重机、抽水机、显微镜、幻灯机、纺织厂、兵工厂等。还第一次参观并记述了欧洲博览会、芭蕾舞、大英博物馆、国家议院、近代报社、高等学院，以及法国的凡尔赛宫、凯旋门等。他看到了西方近代的科技与文明。
培养洋务人才。开办外国语学校、实业学堂、近代军事学校、派遣留学生等。同治朝新式学校最早者是京师同文馆。从京师八旗子弟中选出10名学生，教员则由英国教士包尔腾担任。同文馆除了聘请洋人教授外语，还请徐树琳教授儒家经典。当时的工薪，汉文教员年薪100两，外国教师年薪1000两。同文馆学生膳食、文具全由政府承担，每月另发10两津贴。月课合格者奖银32两，季考合格者奖银48两，岁试及格者奖励72两。若三次考试都及格，共得奖银152两，加上每月津贴，每年得银272两。后来奕请在同文馆开设“天文”、“算学”馆，“采西学”、“制洋器”，引起了京师内外的轩然大波。有人说：学“西技”是“舍本求末”，讲“气节”才是“强根固本”。也有人认为：设立同文馆将使中国传统丧失，令中国官员士子向外人学习技艺，不仅是一大耻辱，而且将使中国“变而从夷”。
京师流传出一副对联：“鬼计本多端，使小朝廷设同文馆；军机无远略，诱佳弟子拜异类师”。于是传称奕为“鬼子六”。前门外墙壁上出现“揭帖”，上写：“未同而言，斯文将丧”，此帖里嵌着“同文”二字，讽刺设立同文馆，中国将丧失传统文明。候补直隶知州杨廷熙呈递条陈道：“西学”乃“西洋数千年魑魅魍魉横恣中原”之学，请洋人为教员将使“忠义之气自此消”，“廉耻之道自此丧”。有人将当年春旱，渲染为“天道示警”，攻击是奕等人倡行“西学”而致，乃纷纷上折，要求同文馆停止招考。更严重的是，大学士、同治皇帝的师傅倭仁也上书反对。他认为：“立国之道，尚礼义不尚权谋；根本之图，在人心不在技艺。”又说：“古往今来未闻有恃术数而能起衰振弱者。”认为不必向外国学，以中国之大，“必有精其术者”。奕等递上驳斥倭仁的奏折：仅尚空谈，不切时务，中国将愈益落后。
英、法皆小国，却几次打败中国，所恃者正是科学技术。朝廷一味因循敷衍，才一败再败。并请倭仁保举“精其术者”。倭仁保举不出人才，只好退让。由于两宫皇太后态度明朗，使攻击同文馆招生之风被压下去。然而同文馆的招生受到很大影响，原报名者98人，但参加考试者仅有72名，其中30人是为了有优厚奖学金而报考。半年后只余下10名学员尚能跟上学业，遂与原来在馆的八旗子弟合为一班。后在上海、广州也开设了类似的学校，招收满、汉子弟入学，只开设外语课，请美国人做教师。同文馆后来聘请美国人丁韪良为总教习，开设化学、数学、天文、物理、国际法、外国史地、医学、生理学、政治经济学等课程，毕业年限改为8年，至此同文馆初具一所综合性高等学府之规模。作为第一所近代学堂开办起来后，它带动了其他近代学校的出现。该校在光绪二十八年(1902年)并入京师大学堂。它培养了一大批通“西学”的人才，其中仅驻外公使就培养出28人。
同治朝开设的新式学校，还有江南制造局附设的机械学堂、福州船政局附设的船政学堂等。福州船政学堂又称“求是堂艺局”，是公元1866年(同治五年)由左宗棠主持福州船政局时附设。这所学校是近代较早开设的一所以学习自然科学为主的新式学校，同时又有军事学校的性质，以培养海军和造船人才为目的之一。
派留学生出国。同治十一年(1872年)，首批30名“幼童”奔赴美国留学，史称“幼童出洋”。同治年间留学之风兴起，与容闳分不开。容闳(公元1828—1912年)，广东香山(今中山)人，公元1841年(道光二十一年)入澳门马礼逊教会学堂读书，家长想让他学成后做买办。后该校教员、美国人布朗回美国时，容闳随他去了美国，成为近代早期留学生之一。他在美国先读中学，后入耶鲁大学，攻读4年，于咸丰四年(1854年)获该校文学学士学位后回国。公元1870年(同治九年)，曾国藩任直隶总督，容闳为其幕僚和译员。他多次向曾国藩建议派遣留学生出国学习。同年，清政府批准了曾国藩等上奏派留学生的章程，决定派遣120名十二三岁幼童去美国留学，学习期限为15年，在上海成立留学出洋局管理此事。后以陈兰彬、容闳为正副委员，常驻美国，经管留学生事务。幼童留学生年龄一般在12—16岁，出国前在上海培训。因为当时风气未开，招生工作极难进行，幼童父母都不愿把孩子送到遥远的大洋彼岸去。
如詹天佑，他的邻居在香港做事，向其父介绍留学招生一事，并劝他送詹天佑报名。但其父要儿子走科举正途，而不愿意出去留学。这位邻居再三说明去美国留学比科举进士有出息，并提出如果詹天佑去美国留学，就把女儿许配给他。他父亲才愿送子出国，当时詹天佑才12岁。后来詹天佑学成回国，修筑京张铁路，建滦河大桥，称著于世。幼童先受预备班半年教育，学习简单的英语，了解美国情况。学校要求极严格，学习差的经常受体罚，幼童们都很努力，完成了预期学业。公元1872年(同治十一年)夏，经过考试选拔，第一批幼童30名，在上海乘轮船出洋。从同治十一年到公元1875年(光绪元年)，每年出国一批，每批30人，共有四批120人赴美国留学。幼童们到了美国，成为美国新闻中的轰动事件，美国总统还接见了他们。中国留学生给美国人留下“聪明能干，彬彬有礼”的印象，并说他们是“中国的荣誉”。容闳提出并把他们分别安排在美国平民家庭中生活。美国的教师、医生、绅士们纷纷把中国幼童领到自己家中，每个家庭对幼童都关怀备至，为他们提供较好的吃住条件，关心他们的学习和生活。他们成为中西文化交流的桥梁。