不过沈葆桢颇负清望，对外事处理能积极斗争，也不愧是忠臣之后。他对处理南昌教案，协助左宗棠主持福州船政局以及晚年对开发台湾，均作出了贡献。
同治元年南昌教案发生后，清廷命沈葆桢严加镇压。沈葆桢令部属“细访街邻，密询地保”，倾听民众呼声，最后决定不予追究，以赔偿白银5，000两了事。由此，“士林则感颂次骨”。
同治五年（1866）沈葆桢由左宗棠推荐，继任福建船政大臣，专主福州船政局。六年（1867）二月间，福州税务司美理登企图“钻营入局”。沈葆桢认为，“若令盘踞其中，将事事掣肘，人心一懈，全局中乖”，因而拒绝了美理登充任船政监督的要求。八年（1869），船政局按合同规定，辞退了一名违法的法国工匠。于是法国驻福州领事巴世栋串通美理登传审船政监督日意格及6名中国工匠，并令日意格赔偿“损失”。对此，沈葆桢十分气愤，据理驳斥：“领事为通商而设，不应干预船政”，要求总理衙门向法国交涉。这时，船政局少数洋员因有巴世栋撑腰，“有恃无恐，相率刁难”。是年秋，“万年清号”轮船下水，总监工竟然拒绝上船主持试航。事件发生后，沈葆桢立即辞退日意格，以示惩儆。
沈葆桢主持船政局期间，还不断遇到来自官场的种种牵制和反对。同治五年（1866），吴棠接任闽督，上任伊始，即声言“船政未必成，虽成也何益”，并一反左宗棠在闽的所有改革措施。沈对此十分气愤，表示“船政系臣专责，死生以之”。他与左宗棠“抗疏力争”，清政府遂于次年将吴棠调离。同治十年（1871），大学士宋晋攻击船政“糜费太重”，要求清廷下令停办。沈与左宗棠、李鸿章等上疏力争，他指出：“夫以数年草创伊始之船比诸百数十年孜孜汲汲精益求精之船，是诚不待较量可悬揣而断其不逮”，但如果因此而不办船政，不搞海防，就像学生不如老师就“废书不读”一样地“虚妄”，在他的坚持下，船政局终得维持下来。
主持福州船政局这样一个近代企业的实践，使沈葆桢逐步开始重视西学。他任用了不少“熟谙西法”、通晓外语的人员，并向总理衙门索取《格物入门》一类书籍供员工学习。他制定了一套规章制度，以职务、勤惰、技术水平为主要标准来规定工资等级，“视其差使之重轻，不专论品职之大小”。他还建议“废无用之武科以励必需之算学，导之先路，十数年后人才蒸蒸日上，无求于西人矣”。出于培养人才的需要，他在左宗棠所筹办的“求是堂艺局”的基础上，完善学校规章制度，招收了第一届学习造船与驾驶的学生。到光绪三十三年（1907）为止，福州船政局造成各类大小兵商轮船40艘，前后学堂的毕业生共628名，留学生106名，成为我国科技人才和近代海军将领的培养基地。
光绪五年（1879）十一月，沈葆桢卒于两江总督任。有《沈文肃公政书》等传世。