1875年8月28日，清廷正式发布郭嵩焘出使英国的上谕。此后由于中英之间在马嘉理一案上反复交涉，没有结果，郭嵩焘出使之期也就一再拖延，直到1876年9月《烟台条约》签订，出使才又提上日程。12月2日晚，郭嵩焘率副使刘锡鸿、参赞黎庶昌、翻译德明、凤仪和英国人马格理以及随行翻译爱尔兰人禧在明等30余人从上海港冒雨登舟，踏上了赴英的漫长旅途。郭嵩焘使团是清政府向西方国家派遣的第一个正式的外交使节团。这一年，郭嵩焘59岁。是什么力量促使他以老病之躯赴万里之行，从而为清政府迈出了正式向外遣使的第一步呢？一个基本原因是他的身上具备了传统士大夫提倡的“天下兴亡，匹夫有责”的优良传统美德，另一个重要原因是他希望亲自到西方国家去考察，然后把西方国家的真实情形介绍给国人，从而使守旧风气比较重的中国人能够从天朝大国的梦中醒过来，平等地看待西方。所以，虽然在出使前，他就受到了守旧舆论的攻击，身体又是衰病交加，而出使的本身又等于“悬的以资弹射”，但他却没有后悔，没有推卸，而是一力独任。他的这种高尚情操在当时只有少数比较先进的中国人能够理解，在今天，则早已得到历史的公允评价。
鸦片战争以后，中国国门洞开，中外交往日益频繁。但由于中国政府对西方社会缺乏了解，在中外交涉中往往吃亏，所以，清政府越来越迫切地需要了解西方国情。因此，在郭嵩焘出使之前，总理衙门就奏诸清政府要求出使大臣将对外交涉事件、各国风土人情、政治、经济、军事等各方面情况，详细记载，随时咨送国内。郭嵩焘按此要求，从上海启程之日起，就不顾海上颠簸、牙痛、胃痛、失眠、头昏、晕船等，坚持天天记下沿途见闻，直到1877年1月21日抵达伦敦止，没有间断。他把途中30多天的记录整理成册后，题名《使西纪程》，邮寄给总理衙门。结果却在士大夫中引起了一场轩然大波。
《使西纪程》记载的内容主要有两方面：一是地理知识。中国人的世界地理概念直到鸦片战争爆发前，还是模糊一片，以后逐渐有所了解，但一般士大夫对世界有几大洲、几大洋、如何划分经纬度，如何计算时差、温差等地理知识仍是所知无几。郭嵩焘在《使西纪程》中详细记载了所经之地的经纬度、温度、气候以及自然景观和不同的宗教信抑。二是不同的人文景观。他途经香港时，发现香港变化很大，已成为西方国家在东方的一大都会，学校纪律严明，监狱也节度整齐。在新加坡，他参观了配有大炮、火药库、巨型望远镜的新式炮台，还参观了女子学校。在途中，他还看到了西方的报纸如《泰晤士报》、《波赛日报》等，从报上了解了1874年至1876年的英国人北极探险和土耳其的政治改革情况。在苏伊士运河两岸，他看到了构造巧妙的开河机器。到欧洲后，他又看到了压沙机器、取重机器、蒸汽机等。他对马赛、伦敦的繁华，也留下了真实的记录。郭嵩焘是一位敏锐的思想家，因而，在《使西纪程》中，他除了纪实外，还经常发表个人的评论。这些评论直抒胸臆，对西方国家的政治、经济及一切人文景观都含赞扬之意，因而，士大夫看了，就不对胃口，反过来就要对郭嵩焘的《使西纪程》大张挞伐。郭嵩焘的一个主要观点是，西方国家非常重视教育，也21重商业，在当今世界，英国和俄国是世界的两大强国，都对中国不怀好意。在西方世界日新月异的情况下，如果中国士大夫还一味“高谈阔论”、“虚骄自大”，后果将不堪设想。郭嵩焘的这一观点虽然真实地反映了当时的世界形势，但是，守旧的士大夫最不愿意听的就是这样的话，因而，在总理衙门将《使西纪程》刊布社会后，士大夫们群起而攻之就不奇怪了。
李慈铭是当时的名士，他读了《使西纪程》后，不但不愿承认中西发展的差距，而且斥责郭嵩焘对西方国家进行了故意夸张、粉饰，尤其是夸饰西方的“仁义兼至”、“富强未艾”，因此，他说，凡有血气的士大夫读了郭嵩焘的记述，“无不切齿”。有人说郭嵩焘对清政府的“忠心”已经改变，对英国有贰心。他的好朋友王闿运也指责郭嵩焘中了“洋毒”，不可救药。有人甚至奏请清政府将郭嵩焘撤职查办。在守旧舆论的强大压力下，清政府下令将《使西纪程》毁版，禁止该书在社会上流行。由于一时找不到合适的人选，清政府才暂时没有将郭嵩焘撤职，但已对郭嵩焘发去了严厉申斥的训令。
郭嵩焘使团到伦敦后，住在波克伦伯里斯45号，这里有一座四层楼房，此后成为中国驻英使馆，沿用了80多年。1877年1月24日，郭嵩焘照会英国外交大臣德尔贝，商订觐见日期。在照会中，他增加了所携带的国书中所没有的两项内容：一是“道歉”的钦差同时即是长驻公使，二是增加了副使刘锡鸿的名字。英国人存心要刁难中国的第一任驻外公使，所以在以上两个问题上又争论了一段时间，好不容易才答应下来。入国先问禁，郭嵩焘在觐见前曾派人向英国驻华公使威妥玛、内务大臣席摩尔询问有关觐见礼仪，他们也故意刁难，借口说不知道，希望中国公使在觐见时出丑。郭嵩焘是一位热心了解西方的人，因而在出国前就详细问过在此之前出国的薄安臣使团和崇厚使团的情况，所以在2月7日觐见时，行的是三鞠躬礼，而不是中国官场的跪拜礼，使得威妥玛等未得售其奸。鉴于这些，郭嵩焘深深感到西方国家对中国采取的不平等态度，内心为之愤愤不平。为此，他招集所有使团人员，宣布了5条纪律：“一戒吸食洋烟，二戒嫖，三戒赌，四戒出外游荡，五戒口角喧嚷。”
郭嵩焘不懂英语，在对外发表谈话时，须经英人马格理翻译。而马格理常常歪曲郭嵩焘的原意，因而见诸报端时，往往差别很大，郭嵩焘虽然气得发昏，却也无可奈何。此后，他多次提到，外交人才，须以熟悉外国语言文字为第一要义。
在这样的条件下，中国外交官要在世界外交舞台上立足，真是困难重重。做为第一任公使，郭嵩焘虽然想要为清政府多办点事，但事实上却不可能改变中国外交的被动局面。在任期内，郭嵩焘尽最大努力处理了一些中英交涉，取得了一定成果。但最重要的意义并不在此，而在于中国从此真正进入了世界外交舞台。
郭嵩焘在任期内经办的交涉主要有以下几项：
1.江西盐船案。1875年11月16日，华商周复顺等所雇运盐船只被英国太古轮船公司“惇信”号撞沉，周复顺等告到上海英国按察司衙门，结果“惇信”号被判定赔银1万两。但“惇信”号船主不服，声言要回英国上告，此后即杳无音信。周复顺等闻郭嵩焘出使英国，就函请他代向英国船部查询。1877年2月，郭嵩焘收到信后，多次与英外交部交涉，终于如原告所请，以“惇信”号赔偿结案。
2.镇江趸船案。1873年3月中国海关允准英太古洋行“嘎的斯”号停泊于镇江英租界对面，此后，太古洋行在该船停泊之处擅自造桥通岸，致使江岸多有坍卸。1876年中方为查明江岸坍卸原因，要求太古洋行将趸船移泊，几次交涉都没有成功，总理衙门遂将此案转寄郭嵩焘，要他直接与英国政府交涉。1877年6月，郭嵩焘开始与英政府就此问题进行交涉，直到1878年2月，英方才答应将镇江趸船移泊。此案的交涉成功，意义不在案件的本身。移泊一条船，交涉达3年，争论的本质在于国家的主权，郭嵩焘在此案上取得成功的意义也在于他维护了清政府对本土内的江河道路的主权。
3.厦门怡记行商人枪毙渔民案。1876年，福建厦门英属怡记行雇员安陀鸟枪杀当地渔民王小加、庄薄，中方多次与厦门英领事及驻华公使交涉，要求惩凶，未果。总理衙门只好函知郭嵩焘，令他在英交涉。1878年4月，郭嵩焘接到函件，旋即开始与英方接触，英方则采用拖延战术，迟迟不做答复。郭嵩焘感到要公正解决此案实在太难，只好退而求其次，最后英方同意以给死难者家属抚恤金结案。此案的解决并不公正，但郭嵩焘还是尽了自己的努力。
4.英船雇佣华工案。1878年7月21日，英船“拉多”号所雇华工7人到中国驻英使馆求援，控告船主暴虐，要求辞职而船主又不允。次日，郭嵩焘即派参赞黎庶昌等去调查此事，后又与英政府联系。最后，该船主函告中国使馆，接到政府命令，准许华工辞职。
5.域多利华工免税案。1878年6月，加拿大域多利埠规定华侨每人每年须交税银40元，拒交者将其货物充公。这种专对华人征税的措施引起华侨强烈不满，他们联名请求中国驻美公使保护。因加拿大是英属殖民地，中国驻美公使遂又转请郭嵩焘向英政府交涉。郭嵩焘旋即照会英政府，英外交部很快复文称已命该埠校办。
6.喀什噶尔交涉。侵入南疆的阿古柏集团在左宗棠所部清军的强大攻势下，节节败退，阿古柏派人急往伦敦向英国政府求援。1877年1月，郭嵩焘抵达伦敦后，英方即向郭交涉意在保护阿古柏政权。此后，交涉一直持续到1878年清军收复南疆全部为止。在这一交涉上，由于信息传递不便，郭嵩焘不能及时得到最新消息，加之，他对清军武力收回新疆信心不足，希望利用英国的调停，迫使阿古柏多交完一些地区，准其保留一部分土地立为中国的属国，以此来维持两北边疆的和平局面，从而，出现了一些失误，但是，他仍强调，在新疆问题上，或进或守，清政府应重视当事者左宗棠的意见。而作为一名外交官，郭嵩焘与英方也做了一定的斗争。由于通讯上的不便，郭嵩焘对新疆局势的变化不能及时了解，因而难免受英国政府的诱惑。但是，在总体上，他的立场是坚定的。他一再拒绝了与阿古柏的使者会见；当英方非法派遣所谓驻喀什噶尔公使时，他又立即提出抗议；当英方散布中国公使私行议和的谣言时，他也严辞辟谣，从而，使敌人的阴谋未能得逞。
7.倡议设立领事馆。1877年9月，郭嵩焘奏请清政府仿照西方国家的办法，在新加坡、孟加拉、槟榔屿、锡兰等华侨集居之地设立领事馆。清政府采纳了他的建议，但在设立领事的交涉中，英方在常设还是暂设问题上横生枝节，总理衙门即命令郭嵩焘与英政府交涉。1878年1月，英方同意清政府在新加坡设立领事馆。3月，清政府任命华侨商人胡璇泽为中国驻新加坡领事。此后，清政府先后在旧金山、横滨、神户等地设立了领事馆。
郭嵩焘出使的时间并不长，外交上的建树也不如曾纪泽等突出。但他却是第一个敢于吃螃蟹的人，迈出了清政府向外派遣常驻公使的第一步，他的这种大胆创新、忠正爱国的精神不断激励着后来许许多多的外交官们。