追剿捻军
同治四年（1865年）1月，选汉唐以来各臣奏疏17首，编《鸣原堂论文》。3月，主持修葺种山、尊经两书院。收养八百孤寒子弟，并从自己养廉银中捐款课奖。5月26日，曾国藩率军赴山东剿捻。6月，主持整理《王船山遗书》完稿，共320卷，交金陵书局出版。
六月十八日，北上剿捻之策：重镇设防，划河圈围，清野查圩，马队追踪。9月，经扬州、清江浦抵徐州。一路调兵布防堵围，沿途又张榜招员。10月，将金陵制造局迁上海虹口，和李鸿章原设的炮局及购自美国人的铁厂合并，再加容闳购回的百多部机器建成江南制造总局。12月，核定长江水师永远章程及营制营规。
同治五年（1866年），曾国藩奉旨进驻周家口，以钦差大臣的重权身份，督师剿捻。曾国藩根据捻军行踪不定、流动作战的特点，采用了“重点防务、坚壁清野和画河圈围”的对策，但最终全部失败。后来，他在周口西至漯河建立起“沙河百里防线”，希望借此天堑消灭捻军。
主办洋务
同治六年（1867年）3月，在江南制造总局下设造船所试制船舰。同时拟设译书馆。5月，会同李鸿章将江南制造总局由虹口迁高昌庙，征地扩迁，规制大增。六月，补授体仁阁大学士。
同治七年（1868年）4月，奉上谕改授为武英殿大学士。5月31日，至上海视察江南制造成总局。8月，奉命调任直隶总督。9月，江南造船厂试制的第一艘轮船驶至江宁，曾登船试航，取名“恬吉”。12月，曾国藩抵达北京，拜见慈禧太后与同治皇帝。
天津教案
同治七年（1868年），曾国藩改任直隶总督。曾国藩奉命前往天津，办理天津教案，考量当时局势，没有与法国开战，“但冀和局之速成，不问情罪之一当否”，在法国的要求下，商议决定最后处死为首杀人的8人，充军流放25人，并将天津知府张光藻、知县刘杰被革职充军发配到黑龙江，赔偿外国人的损失46万两银，并由崇厚派使团至法国道歉。
这个交涉结果，朝廷人士及民众均甚为不满，省馆所书楹帖被毁，曾国藩深知其中和战利害，自引其咎，得到丁日昌的同情。曾国藩背负骂名，病情加重，于是召来李鸿章处理案情。
回任两江
同治九年（1870年），两江总督马新贻被平民张汶祥刺杀于后，朝廷命曾国藩再任两江总督，前往南京审理该案。
同治十年（1871年）8月19日，挈李鸿章联衔会奏《拟选子弟出洋学艺折》。九月，视察水陆各营防务、训练情况。十一月抵达上海。
同治十一年（1872年）2月27日，曾国藩领衔上奏，促请对“派遣留学生一事”尽快落实。并提出在美国设立“中国留学生事务所”，推荐陈兰彬、容闳为正副委员常驻美国管理。在上海设立幼童出洋肄业局，荐举刘翰清“总理沪局选送事宜”。此后，曾国藩时发脚麻之症，舌蹇不能语。
同年二月初四日（1872年3月12日），曾国藩午后在南京西花圃散步，突发脚麻，曾纪泽扶掖回书房，端坐三刻逝世。百姓巷哭，绘像祀之。朝廷闻讯，辍朝三日。追赠太傅，谥号“文正”，祀京师昭忠、贤良祠，各省建立专祠。6月25日，灵柩运抵长沙。7月19日，葬于长沙南门外之金盆岭。
同治十二年（1873年）12月13日，改葬于善化县（今望城区）湘西平塘伏龙山。与夫人欧阳氏合葬。