1847年(道光二十七年)初，赴美学习，三年后考入耶鲁大学，1854年(咸丰四年)以优异成绩毕业，成为毕业于美国大学的第一个中国留学生。1855 年回国，曾在广州美国公使馆、香港高等审判厅、上海海关等处任职，后为上海宝顺洋行经营丝茶生意。出于对太平天国的同情，1860年至太平天国首都天京 (今江苏南京)，向洪仁玕提出组织良好军队、设立武备学校及海军学校、建立有效能的政府、颁定教育制度等建议七条，但“未敢信其必成”，对太平天国任事坚辞未受。在洋行任职后，自营商业，旋投入师夷自强的洋务运动。1863年(同治二年)，向曾国藩建议创办机器厂，并受曾委托赴美购买机器，筹建江南制造局。1868年，向清政府提出以选派幼童出洋留学为重点的四项条陈。1870年(同治十年)被命为“幼童出洋肄业局”副委员，任留学事务所副监督，并于次年率第一批留学生赴美。此后长期驻美，专管留美学生事务，1875年(光绪元年)，并任出使美国、西班牙、秘鲁三国副大臣，直至1881年清政府撤回留学生为止。由于对洋务派失望，1882～1894年又侨居美国。中日甲午战争时，介绍孙中山向李鸿章上书，并向张之洞提出筹款购舰以长期对日作战的计划。戊戌变法时期，在北京与维新派密切往还，变法失败后避居上海租界。1900年唐才常的自立会在上海改称“中国国会”，被推为会长，并负责起草英文对外宣言。自立军起义被镇压时，遭清政府通缉，辗转流亡美国。后仍与国内各派改革力量联系，渐趋支持孙中山所进行的革命活动。1912年1月，致函祝贺孙中山就任中华民国临时大总统。4月，病逝于美国康涅狄格州哈特福德城。著有回忆录《西学东渐记》(原版系英文，名为My Life in China and America)，1981、1985年湖南人民出版社据商务印书馆1915年中译本(恽铁樵、徐凤石译)标点重印，收入《走向世界丛书》。
