1853年（咸丰3年）43岁1月21日，接帮办湖南团练旨。经郭嵩焘力劝出保桑梓。30日，抵长沙与湖南巡抚张亮基商办团练。3月19日，太平军攻占江宁，定都为天京。9月，奏准移驻衡州练兵。11月，建衡州船厂赶造战船。派人赴广东购买洋炮，筹建水师。
1854年（咸丰4年）44岁2月25日，奉命率师出征太平军。发布《讨粤匪檄》。命褚汝航为水师总统、塔齐布为陆军先锋，统率1.7万人，挥师北上。5月，兵败靖港，投水自裁获救。7月25日，重整水陆各军后，出师攻陷岳州。10月14日取武昌。咸丰帝令其署理湖北巡抚。7天后收回成命。改赏兵部侍郎衔。12月2日攻陷田家镇。
1855年（咸丰5年）45岁2月12日夜，石达开总攻湘军水营，烧毁湘军战船100余艘。曾国藩座船被俘，“文卷册牍俱失”。“公愤极，欲策马赴敌以死”，罗泽南、刘蓉力劝乃止。
1856年（咸丰6年）46岁7月，坐困南昌。9月2日，杨、洪内讧（天京事变）后，太平军元气大伤。10月，曾国藩在长沙募勇组建吉字营入援江西。
1857年（咸丰7年）47岁2月27日，其父去世，偕弟国华回籍奔丧。7月，两次上疏，请求在家终制，获咸丰帝准许。是年建“思云馆”。
1858年（咸丰8年）48岁5月19日，李续宾、杨岳斌率水陆两军攻陷九江。弟国华入李幕。7月13日，接上谕命其出办浙江军务，17日起程。8月5日，抵武昌。与胡林翼会商进兵、筹饷之策。11月15日，李续宾、曾国华死于三河之役。12月，作《爱民歌》以训湘军。
1859年（咸丰9年）49岁1月，李鸿章来建昌进谒、留营襄办军务。是月，曾国葆改名贞干入湘军，为其兄国华报仇。2月，作《圣哲画像记》。11月，拟四路进兵之策，攻取安庆。
1860年（咸丰10年）50岁5月，辑录《经史百家杂钞》26卷，“取精用宏”，“尽抡四部精要”。6月，左宗棠来营，留住两旬，商讨东南大局；奉命以兵部尚书衔署理两江总督。7月，委授两江总都，并以钦差大臣督办江南军务。10月18日与胡林翼、李续宾商筹北援之策。上疏请求带兵北上扫夷勤王、以“雪敷天之愤”。12月，祁门大营两度被困，太平军距大营仅20里，“危险万状”。
1861年（咸丰11年）51岁8月23日，是《复陈购买外洋船炮折》：“购买外洋船炮，则为今日救时之第一要务。”9月5日，湘军攻陷安庆。25日，移住安庆。11月20日，奉旨督办四省（苏、皖、浙、赣）军务，其巡抚、提镇以下悉归节制。12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。”
1862年（同治元年）52岁1月31日，奉旨任两江总督协办大学士，曾国荃补授浙江按察使。2月14日，左宗棠率军由江西入浙江。4月，李鸿章率军抵上海。5月，曾国荃率军进驻雨花台，会同彭玉麟的水师围攻天京。7月18日，为借兵助剿事再疏力陈利害：“岛人借助剿为图利之计……而中华之难，中华当之”，决不能让洋人以助剿来“蹂躏中国之土地”。9月，为死于战乱而未及安葬的桐城儒生方东树、戴钧衡6人立石修墓，妥为安葬。12月，其弟曾国葆病死于雨花台湘军大营。年底，华衡芳与徐寿父子试制成中国第一台蒸汽机，曾国藩见后，于当天日记中写道：“窃喜洋人之智巧我国亦能为之，彼不能傲我以其所不知矣！”
1863年（同治2年）53岁1月28日，安庆军械所造出我国第一条木壳小火轮，曾国藩登船试航后，喜而命名“黄鹄号”。5月7日，致函总理各国事务衙门，谓“洋人本有欺凌之心，而更授以可凌之势；华人本有畏怯之素，而逼处可怯之地”，反对购买要由海军上校指挥控制的船舰。9月，与容闳见面，商筹建立制造船舰的工厂。12月3日，交容闳6.8万两银赴美购买机器。
1864年（同治3年）54岁1月，派李凤苞测量江浙外海各岛屿沙线。5月，江浙藏书遭兵劫多有毁损，定刊书章程，即于安庆设书局，刊刻各种经史。6月3日，洪秀全病逝天京，其长子继位。7月19日，湘军攻陷天京，太平军宣告失败。7月，曾国藩赏加太子太保、一等侯爵。曾国荃赏太子少保、一等伯爵。8月15日，奏准裁撤湘军2.5万人。10月，行辕移驻安陵。11月，奏准停征厘舍、亩捐。12月，主持修复江南贡院，补行江南乡试，会考江南优贡。
1865年（同治4年）55岁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800孤寒子弟，并从自己养廉银中捐款课奖。5月26日，接上谕：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。6月18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。
1866年（同治5年）56岁9月24日，捻军突破防线，进入山东。连续2次请假，在营调养。10月，奏陈：剿捻无效，病难速痊，请开协办大学士、两江总督之缺。12月，回任两江总督。
1867年（同治6年）57岁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。6月，补授体仁阁大学士。
1868年（同治7年）58岁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，抵京师，陛见那拉氏与同治皇帝。
1869年（同治8年）59岁2月27日，奏陈直隶应办事宜，以练兵、饬吏、治河为至要。6月，奏请按湘军制改造直隶练军。8月，作《劝学篇示直隶士子》，提出儒学有义理、考据、经济、辞章四科，唯义理为治学根本。12月，奏陈：“直隶清理积狱……计审结并注销之案四万一千余起，多作尘牍，为之一清。”
1870年（同治9年）60岁4月，肝病日重，右目完全失明。奏准病假一月。5月续假一月。6月，天津教案发生，奉命前往处理。7月11日，抵津。出令放告，要求津民据实检举揭发。23日，法国公使罗叔亚来见，要求杀天津道员、知府、知县为法领事抵命，并以战争相威胁，曾国藩严词拒绝。24日，奏陈：挖眼剖心，全无实据；津民生愤，事出有因。8月，奏陈：本案凶犯已拿获九名，惟罗叔亚意欲“三员议抵”，断难允求。府、县本无大过送交刑部已属情轻法重。9月，两江总督马新贻遇刺身亡，曾国藩调任两任总督，李鸿章调补直隶总督。10月17日，起程南下。11月3日，60大寿，御赐“勋高柱石”匾额。24日，作家训日课四条：一曰慎读则心安，二曰主敬则身强，三曰求仁则人说，四曰习劳则神钦。
1871年（同治10年）61岁8月19日，挈李鸿章联衔会奏《拟选子第出洋学艺折》。9月，视察水陆各营防务、训练情况。11月抵上海。
1872年（同治11年）62岁2月27日，领衔上奏：促请对“派遗留学生一事”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”。
3月1日，时发脚麻之症，舌蹇不能语。3月12日，午后散步署西花圃，突发脚麻，曾纪泽扶掖回书房，端坐三刻逝世。是月，清廷闻讣，辍朝三日。追赠太傅，谥文正。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。次年12月13日，改葬于善化县（今望城县）湘西平塘伏龙山。与夫人欧阳氏合葬。