鸦片战争的炮声，震碎了封建王朝重陆轻海、防内重于防外的传统安全观念。清政府高呼“三千年未有之变局”，开始了艰难的国防体系转型。面对西方列强的坚船利炮，清政府的近代国防意识开始觉醒，意识到不仅装备落后，而且军事人才较匮乏。清政府有识之士积极推行军事变革，从人员素质、装备技术、组织体制3个方面着手提升军队战斗力，推动国防体系的转型，通过大力发展军事工业和兴办新式军事学堂等举措，彻底改造国防体系。此外，有识之士还倡导改革军事制度，建立常备军与预备军相结合的国防体制。
努力发展军工
在见识到西方列强坚船利炮的威力后，“练兵以制器为先”成为清政府中枢与各督抚的共识。有识之士认识到“自强”方为第一要务：“惟以采买洋枪洋炮，定制铁船为自强之术，即强矣，而非自强也。”他们不遗余力地创办实业，努力实现兵器的国产化，钢铁工业和兵工厂建设由此展开。钢材作为制造枪炮弹药和舰船最基础的材料，在军工业的发展过程中不可或缺。起初，清政府被迫花费巨资从国外进口钢材，随着军工生产规模的扩大，进口钢材成为一项沉重的经济负担。为此，创办中国自己的近代炼钢厂一事被提上议事日程。张之洞在两广总督任上时，便提出兴建钢铁企业，夯实军事工业的基础。
随着洋务运动逐渐深入，大大小小的兵工厂陆续建成，江南机器制造总局、福州船政局、金陵机器制造局、湖北枪炮厂等军工企业开创了国防工业的先河，实现军舰、枪炮、弹药自主制造。清末制造的“汉阳造”步枪，甚至从辛亥革命到抗美援朝战场上一直发挥作用。在经费紧张、财政拮据的情况下，这一成绩的取得尤为不易。总体上看，从鸦片战争到甲午战争前这半个世纪时间里，“师夷长技”由口号逐步转变为行动，从理论逐渐付诸实践，一场向西方学习军事技术的热潮席卷全国。借此热潮，中国各地陆续创办军工企业，甚至聘请外国人参与军工生产和西式训练，轰轰烈烈的洋务运动在一定程度上改变了中国近代国防工业的面貌。
革新军事教育
晚清国防体系迈向近代的另一个标志，就是建立新型军事教育模式，目标是将旧式武夫培养成新型军人。清政府开始将军备教育思想注入教育制度，对将帅的要求也有所变化，不仅强调精通中国古代兵法，同时兼顾近代军事学术。
在这一目标感召下，张之洞致力于改造军官队伍，要求各级将领“无一不由学堂出身”。不只是张之洞，包括袁世凯和李鸿章在内，都非常重视军事教育改革，希望通过兴办新式的武备学堂来培养合格的军事人才。1885年，李鸿章首先在天津开办武备学堂。1887年，张之洞在广东创办水陆师学堂，首期招收学员一百余名。1896年，张之洞调回湖广总督任上，再购地开办武备学堂。学堂除供给伙食外，每月还给学员发放“赡银四两”，并根据考试成绩高低给予相应奖励。袁世凯则主张在全国范围内建立小学堂、中学堂和大学堂三级军事教育体制，完成军事人才的梯队建设。张之洞也不断抨击清朝军官选拔制度，积极主张废除武举。1901年，在有识之士不断吁请之下，清政府正式取消武科选拔军事人才模式。1902年，袁世凯开办北洋行营将弁学堂、北洋陆军讲武堂、陆军师范学堂，及宪兵、军医、马医、军械、经济等多所专科学堂。1904年，京师设立练兵处，练兵处将正规陆军学堂分为陆军小学、陆军中学、陆军学堂、陆军大学四级，并对各级学科内容进行区分。
此外，袁世凯积极推动优秀人才出国留学，学习近代军事学说和战略战术。在袁世凯和张之洞带动下，全国各地纷纷兴办新型军事学堂。在短时间内，贵州武备学堂、陕西武备学堂、安徽武备学堂、山西武备学堂等多所学堂先后建成，有力推动了中国军事教育的近代化进程。
改革体制编制
通过第一次鸦片战争，清政府就已经认识到军队战斗力的衰弱。八旗、绿营空有百万之众，却无力应对危机。清政府只得饷外加饷、兵外添兵，先后组建湘军、淮军、北洋海军、防军，改善练兵之法，希望能够以“有限之饷练有用之兵”。1864年，李鸿章指出“兵制关立国之根基，驱夷之枢纽，今昔情势不同，岂可狃于祖宗成法”，提出应当及时变易兵制以实现“自强”目标。然而，清政府迟迟未动，直到甲午战争失败后，才下定变革军制的决心。1904年，清政府建立常备军、续备军、后备军。常备军训练3年，期满颁证回籍，列为续备军；续备军3年后退为后备军，后备军4年后退为平民。士兵实行招募制，在体格、文化程度方面有较严格的标准。清政府同时对军队进行重新编制，建立步兵、骑兵、炮兵、工程兵、辎重兵5个兵种，在军队各级建制上也有较大调整。
为加强统一指挥，军事统率机构进行大幅改组，不久便设立了负责全国海陆军的军事指挥机构军谘处，规定由陆军部负责军政指挥。1910年，责任内阁成立，军机处被撤销。原来军机处的部分职权由内阁接手，但军事职能被剥离出来，完全交给军谘处负责。军谘处直接向皇帝负责。1911年，清政府成立“皇族内阁”后，军谘处又被改名为军谘府。军谘府下设7个厅，分别为总务厅、第一厅（作战）、第二厅（情报）、第三厅（交通与通信）、第四厅（测量）、第五厅（史志）与海军厅。军谘府的职能已经与近代对接。
晚清国防体系重构，经历了对传统兵制进行改良和扬弃的曲折过程。在西方军事实力飞速发展的19世纪，清政府一度痛下决心，在物质层面继续寻求军工技术发展，在组织层面进行军队编制体制调整，在思想层面转变国防观念和练兵方式，但其他层面的种种弊端，对“自强运动”形成极大掣肘，一切努力最终散作镜花水月。