咸丰九年，率乡勇从官军，克六安。十年，援寿州。皆有功。同治元年，江苏巡抚李鸿章募淮勇东征，铭传以千总率所部从至上海，独立一帜，号曰“铭军”。战降南汇贼首吴建瀛、刘玉林，以其众来属。别贼吉庆元寇南汇，击却之。克川沙，连破奉贤、金山卫。累功擢参将，予“骠勇巴图鲁”名号。再踣野鸡墩，解四江口围；擢副将。二年，会攻福山，驱常昭之贼；升总兵。杨库汛者，沿江要隘也，悍贼密布营垒为死守计。铭传会水师攻之。战六日，江阴援贼屡受创不得逞。而伪忠王李秀成渡江，率五伪王水陆军数十万分道来援。铭传合诸军迎击，大破之。乘势克江阴，取无锡、金匮，苏州之势遂孤。诏以提督记名，赏头品顶戴。既大军克苏州，降贼皆见杀，伪护王陈昆书死守常州不下，而程学启又战死嘉兴，鸿章亟檄铭传特将一军攻常州。铭传遣将壁奔牛镇，降贼渠邵小双，即令扼丹阳断援贼，而躬率敢死士攻城，破贼十余垒，降万余人。伪章王犯奔牛牵我师，李秀成复鼓轮舶济师，炮击奔牛，饷且绝。铭传闻之，宵驱五百人袭贼后，内外夹击，呼声震天地，划贼垒三十余座，斩馘十万，蹙诸江。三年，遂拔常州，生禽陈昆书，磔之。常州平。赏穿黄马褂。时湘军既复金陵，士卒苦战久，诸老将功成名立，多散归。而淮军继兴，志锐气盛。铭传又独年少，勇略冠诸军。铭军之名，遂噪海内。
会大河南北捻匪大炽。四年春，僧格林沁战没曹州，朝命曾国藩督师山左。乃奏募淮勇，设四镇重兵。特檄铭传壁周家口。连破捻于瓦店、南顿，解扶沟之围。国藩以其兵精捷，改为游击之师。于是诏授直隶提督，仍命率师援鄂，克黄陂，追北至颖州，破之茅屋店。兼旬之间，逐贼千七百里。优诏褒美。铭传独念中原平旷，捻骑飘忽分合，狼奔豕突，动辄数千里；我师专主游击，与贼并驱，不能制其死命。于是建议筑长堤，扼沙河，蹙贼河南，为聚歼之计。铭传自任朱仙镇以下河防，分汛兴筑。工甫竣，而贼毁汴防以出。铭传分军蹑击，创之于钜野。捻首张总愚遂窜陕西，任柱、赖汶洸窜山东，自是捻有东西之目。李鸿章寻代国藩督师。铭传提所部自郓城至京山，东西数十战，贼望风披靡，无敢撄其锋者。六年正月，贼走尹隆河。铭传与鲍超约期会战，不及期失利。四月，破贼于黄安东，追至宛郡，屯信阳，整兵再战。于是东自应山、黄陂，西出安陆、襄、枣，北从南阳至郑州，铭军常为选锋。贼狂奔，连日夜不获一战。乃复议防运河，扼胶、莱，筑长墙，北起夏店，南抵柳林口，以遏贼西。秋，引兵破沭阳，围贼，追北至诸城、日照，殪任柱于赣榆。赖汶洸图窜青、济，间道驰潍，邀击破之。贼西走新城，为所截；东走寿光，薄之于洋、弥两河间，悉歼其众，河流尽赤。诸任既殄绝，汶光寻投死扬州，东捻平。论功以铭传为首，诏赏三等轻车都尉世职。铭传自剿捻以来，血战四载，积劳成疾，莫能骑，乃乞归养痾。
七年，西捻张总愚渡黄河，突畿疆，京师大震。诏起铭传，驰抵东昌，会师进剿，叠破之盐山、沧州、德平。鸿章仍筑长墙困贼。贼图扑运河，适马颊河黄水并溢，铭传会诸将纵横遮击，贼众尽殪，张总愚挟数十骑走荏平南镇，蹈水死。西捻平。晋一等男爵，诏壁军张秋。
九年，上命督军陕西，剿北山回匪。部署诸军既定，上疏陈大势，复引疾归里。
铭传善用兵，能以少击众，与程学启齐名。其初出也，将五百人，稍增至七千，常敌贼数十万。讨捻，益骑兵合万二千人。其用械器，悉改泰西新式，战发贼，戡捻匪，卒以此收功。平居持议，尤以建铁路为自强要图。光绪六年，俄人争伊犁，应诏至都，因力陈造铁道之益。请修南路，由清江经山东，由汉口经河南，俱达京师；北路则由京师东通盛京，西通甘肃。其疏略言：‘自强之道，练兵造器，固宜次第举行，然其机括则在急修铁路。铁路之利，不可殚述，而于用兵一道，尤为急不可缓之图。中国幅员辽阔，画疆而守，防不胜防。铁路一开，则东西南北呼吸相通，视敌所驱，相机策应，无征调仓皇之虑，无转输艰阻之虞。合我国二十二行省联为一气，从此裁兵节饷，并成劲旅，则一兵可抵十数兵之用，而权操在上，又不为疆臣所牵制。所以立自强之基础者在此，所以杜外人之觑觎者亦在此’。疏上，议虽格不果行，而中国铁路之兴，实自铭传发之。
光绪九年，法人夺越南，扰闽越，窥台湾，扼我南洋门户。十年，上命李鸿章趣铭传治军，不之应。闰五月，法事岌，诏给巡抚衔督台湾军。乃强起条上海防十事。行抵基隆，巡视炮台，仅存五炮，不能军。居七日，法来犯基隆，台立碎。基隆南距省治台北府六十里，而狮球岭横亘万山之中。法既毁台，更筑坚垒，置巨炮。铭传移军基隆山后，晓乘大雾，选骁将率精卒百人，潜入垒旁空室，出不意，猝以炮击垒，近陴者半伤死。别以镇兵出儳道超敌后，鼓噪薄之。敌惊溃，争赴舟，多堕水死。是役也，毙法酋三人，斩馘数百，夺纛二，他兵械数十，遂复基隆。事闻，上嘉奖，出帑银三千两犒军。铭传念沪尾为濒海要区，距台北仅三十里，军资饷械皆萃台北，死守基隆，敌且袭后路制吾命。且敌舰驶海上，我无舰以应之。而江督以三轮舟济师，辄败返，此绝域也。不舍基隆〈口舀〉敌，避舰攻，致陆战，直坐毙耳。乃徙军沪尾，留将卒二百人扼狮球岭。明日，法果以巨舰十二载师至基隆，而别分精卒袭沪尾，毁垒而进。我以羸卒诱近大军，战移时，别将张李成伏兵突出丛箐中，腹背夹击，殊死斗。敌大溃，蹙至海滨，斩千余人。时法人毁我炮台殆尽，我军全恃肉薄。铭传每当阵一呼，将士皆奋跃致死。法人既三犯沪尾，不得志。月眉山之战，将士忍饥冒雨，誓死拒。营将跣足往来督战，无不一当百。法人益惊慑，自此不敢轻试。
初，铭传之弃基隆也，将卒皆力谏。朝士闻之，骇然大哗。铭传不为夺，曰：‘兵事变化，岂局外人所能遥度耶’？躬壁淡水，策应指挥，短衣麻履，时亲出当军锋，炸丸堕马下，从容谈笑不顾。坚持八阅月，卒保危疆。上嘉其劳，授福建巡抚。
明年媾成，朝议台湾阻海为南洋锁钥，当立行省自治。乃改铭传为台湾巡抚。于是斟酌旧制，奏增府一，曰台湾；县三，曰台湾、云林、苗栗；厅一，曰基隆。改旧台湾府为台南府，台湾县为安平县，卑南厅为台东直隶州。增设布政司一、澎湖镇一，台湾之立行省自此始。
生番窟宅台南北七百里，与民居犬牙交错，岁戕民千余。盗贼出没其间。土豪假防番醵金募士，抗官吏，违号令，赋税不以时至。铭传檄将吏分路剿抚，时亲督大队入山，威慑惠怀，南中北三路及前后山生番，皆薙发归化。复集番童教之台北府，久之，语言衣食皆如腹地人，至不愿归。
又念足兵必先足食。于是丈田亩，清粮赋，四年溢经额三十六万三千三百两有奇。其诸所创土田、茶盐、金煤、林木、樟脑之税，充羡府库。始至，岁入金九十万，后至三百万。因筑炮台，购火器，设军械局、水雷学堂，要以兴造铁道为纲纽，辅之以电线、邮政。穴山梁水，辟巨道七百里，以通南北。台防益固。
先是铭传两上疏，陈铁路为强国计，既屡沮于朝议。至是始建路台湾，创兴一切新政，其意不但为保障东南七省已也，且将举一隅之设施，为全国树之范焉。
时醇亲王奕譞督海军，李鸿章佐之，皆锐意任铭传。特加太子少保，十六年，加兵部尚书衔，命帮办海军。铭传益感奋，思致身自效。