攻占南京
咸丰十一年（1861年）9月5日，湘军攻陷安庆。9月25日，曾国藩移住安庆。12月20日，加太子太保衔，奉旨督办四省（苏、皖、浙、赣）军务，其巡抚、提镇以下悉归节制。同月，在安庆创办内军械所。年底，定三路军进军之策：“以围攻金陵属之国荃，而以浙事属左宗棠，苏事属李鸿章，于是东南肃清之局定矣。”
同治元年（1862年）1月31日，曾国藩奉旨任两江总督协办大学士，曾国荃补授浙江按察使。二月十四日，左宗棠率军由江西入浙江。四月，李鸿章率军抵上海。五月，曾国荃率军进驻雨花台，会同彭玉麟的水师围攻天京。六月，洪秀全命令各地太平军回援天京，太平军集结二十万人兵力，十月起大战湘军四十多天，未能取胜。
同治三年（1864年）正月，攻克钟山，合围天京。7月，湘军攻破天京，对无辜平民展开屠杀与抢掠。当时的南京城被烧毁，平民死伤无数，南京人称曾国藩、曾国荃兄弟为“曾剃头”、“曾屠户”。同月，朝廷加曾国藩太子太保、一等侯爵，世袭罔替，并赏戴双眼花翎。八月，奏准裁撤湘军25000人。
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《王船山遣书》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，经杨州、清江浦抵徐州。一路调兵布防堵围，沿途又张榜招员。10月，将金陵制造局上迁海虹口，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，朝廷人士及民众舆论均甚为不满，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《拟选子第出洋学艺折》。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。
主要成就
政治
曾国藩作为近代著名的政治家，对“康乾盛世”后清王朝的腐败衰落，洞若观火，他说：“国贫不足患，惟民心涣散，则为患甚大。”对于“士大夫习于忧容苟安”，“昌为一种不白不黑、不痛不痒之风”，“痛恨次骨”。他认为，“吏治之坏，由于群幕，求吏才以剔幕弊，诚为探源之论”。基于此，曾国藩提出，“行政之要，首在得人”，危急之时需用德器兼备之人，要倡廉正之风，行礼治之仁政，反对暴政、扰民，对于那些贪赃枉法、渔民肥己的官吏，一定要予以严惩。至于关系国运民生的财政经济，曾国藩认为，理财之道，全在酌盈剂虚，脚踏实地，洁己奉公，“渐求整顿，不在于求取速效”。曾国藩将农业提到国家经济中基础性的战略地位，他认为，“民生以穑事为先，国计以丰年为瑞”。他要求“今日之州县，以重农为第一要务”。
受两次鸦片战争的冲击，曾国藩对中西邦交有自己的看法，一方面他十分痛恨西方人侵略中国，认为卧榻之旁，岂容他人鼾睡，并反对借师助剿，以借助外国为深愧”；另一方面又不盲目排外，主张向西方学习其先进的科学技术，如他说过购买外洋器物……访募覃思之士，智巧之匠，始而演习，继而试造，可以剿发捻，可以勤远略。
军事
曾国藩提倡忠君卫道、以儒家学说治军的这一宗旨还贯彻在选将、募兵、军队管理以及协调军内外关系等方面。曾国藩的军事思想内涵极丰，集显过人之处。他认为，兵不在多而在于精
，“兵少而国强”，“兵愈多，则力愈弱；饷愈多，则国愈贫”。主张军政分理，扣负其责。他购买洋枪、洋炮、洋船，推进中国军队武器的近代。
曾国藩治军把选将作为第一要务，他说，“行军之道，择将为先。”他的选将标准是德才兼备，智勇双全，而把德放在首位，并把德的内涵概括为“忠义血性”。他提出，“带勇之人，该求我党血性男子，有忠义之气而兼娴韬钤之秘者，与之共谋。”又说“带勇之人，第一要才堪治民，第二要不怕死，第三要不计名利，第四要耐受辛苦。”“大抵有忠义血性，则相从以俱至，无忠义血性，则貌似四者，终不可恃。”曾国藩认为，“忠义血性”的将领主要应从既受封建礼教熏陶又少官场恶习的儒生士子中去选择。罗尔纲在《湘军兵制》中统计，凡姓名、籍贯、出身、职务可查的湘军将领179人中，儒生出身的104人，占58%。以如此众多的儒生为将，这在历代军事史上都是罕见的。
将清朝的世兵制改革为募兵制，也是曾国藩建立湘军的首要一着。他说，“数年来痛恨军营习气，武弁自守备以上无一人不丧尽天良。故决计不用营兵，不用镇将。”因此，他组建湘军时，主张不在市民而在乡农中招募兵员。其用意就是乡农中招募的兵员朴实壮健，有利于灌输封建的忠义伦理思想和便于适应艰苦残酷的战争环境。曾国藩还规定，“招募兵勇，须取具保结，造具府县、里居、父母、兄弟、妻子名姓、箕斗清册。各结附册，以便清查。”凡无保者，概不招募。曾国藩的这一做法，完全是承袭了明末抗倭名将戚继光的募兵思想。曾国藩对绿营的编制方面也进行了改弦更张。湘军的编制以营为基本作战单位，营以下设哨，哨以下陆师为队，水师为船，马队为棚。湘军之始，营以上不再设官，各营全辖于曾国藩一人。其后营数增多，才有统领和分统的称谓。曾国藩要求以将必亲选、兵必自找、层层节制的原则组建军队，自统领至兵勇都是逐级进行募选，改变了绿营中“兵与兵不相知，兵与将不相习”的弊病，但也明显暴露了建立私家军队的用心，并从此就开创了近代中国“兵为将有”的先例，军阀拥兵割据的局面也就初显端倪了。…
