邓世昌对清军水师中存在的种种弊病深恶痛绝，决心从自身做起，根除弊端，重振军威。在他的主持下，对平时战舰的海战操练，都用战时的标准严格要求，他自己也刻苦钻研海军业务，训练方法适当，战术灵活，对水师的管理有方，治军严格，在当时腐败的清军水师中颇有名气。
1880年，清政府筹建北洋水师。李鸿章听说邓世昌熟悉水师的管理和舰船的驾驶，治军有方，是水师中难得的将才，特意将他调到北洋水师，担任刚从英国进口的“飞霆”号战舰的管带。后来，北洋水师在英国订购的“镇东”、“镇西”、“镇南”、“镇北”四艘炮舰相继交货，邓世昌又被调到“镇南”号上任管带。这一年的八月，邓世昌率“镇南”号同其他三艘炮舰一起，跟随新任北洋海军总教习的外国人葛雷森赴渤海、黄海一带巡逻，当船队到达海洋岛附近时，由于处理不当，“镇南”号不幸触礁，虽然在邓世昌沉着指挥下，战舰很快脱离了险境，但邓世昌还是因此受到了撤职处分。这件事对邓世昌教育很大，后来，他更加努力地学习和提高自己的驾船能力，并在训练中注意提高自己的指挥和应付复杂情况的能力。很快，无论在技术上还是在指挥上，他都成为当时北洋水师中的佼佼者。
同年十一月，邓世昌和林永升一起随提督丁汝昌去英国，接收在阿姆斯特朗造船厂订购的“超勇”、“扬威”两艘快船。清政府过去在国外买的船，都是雇请外国人给开回来，这是首次派遣本国海军人员驾船归国。邓世昌驾驶“扬威”号经地中海、印度洋，于1881年10月30日，抵达天津大沽，时间长达11个月之久。这是邓世昌第一次出洋，经过这次磨炼，开阔了邓世昌的眼界，他的航海知识、驾驶技术和海战技术等都更加成熟。
1882年冬，日本派兵入侵朝鲜，清政府应朝鲜国王请求，派丁汝昌等率“超勇”、“扬威”、“威远”3艘兵舰和广东水师提督吴长庆率领的陆师3000余人赴朝，支援朝鲜抗击日本的入侵。邓世昌驾驶“扬威”号战舰随队前往。一路上，邓世昌指挥得当，驾驶熟练，与其余各舰一起顺利而又迅速地抵达朝鲜的仁川港。一天后，日本兵舰才匆忙赶到，几次想冲入仁川港，但都被中国战舰所阻挡，被迫退去。这次远征行动，由于邓世昌表现优秀，被晋升为游击，清政府赐给他“勃勇巴图鲁勇号”（巴图鲁：满语，勇士的意思），并升任他为“扬威”舰管带。此后，邓世昌指挥“扬威”号战舰长期往来于天津、朝鲜之间，胜利完成了一次又一次任务。当冬季来临，北方海域封冻后，他便率舰驰骋东海一带，守卫台湾、福建一带的祖国海疆。长期的海上生活，磨炼了邓世昌的意志，造就了他坚强的毅力，他变得更加成熟和自信，这为他尔后报效国家打下了坚实的基础。
1887年，北洋海军在英德两国订购的“致远”、“靖远”和“经远”、“来远”号巡洋舰完工，李鸿章派北洋海军总监查英国人琅威理前往验收，邓世昌奉命与邱宝仁、叶祖圭、林永生等同往接收。这是邓世昌第二次出洋。在国外，他认真考察了西方的海军情况，学习了外国海军不少的新经验和新的操作方法、训练方法。在归国途中，他虽然得了重病，但不顾个人安危，不怕惊涛骇浪，充分利用难得的机会，坚持指挥新舰艇进行海战战术和舰艇技术演练，使这些新舰艇接回不久，就能编队执行任务，对迅速提高北洋海军的战斗力，发挥了很大的作用。
从英国归国途中，邓世昌表现出超人的沉着冷静和非凡的勇敢。当舰队航行至西班牙海域时，有一次，当他与官兵一起驾舢板离舰操练时，突然海上刮起了风暴，几米高的海浪迎面扑来，小舢板时而被抛上高高的浪尖，时而被送进深深的浪谷，稍不小心，就会有船翻人亡的危险。邓世昌镇定自若，亲自把舵，巧妙地躲避风浪，终于安全地带领大家返回“致远”号。当舰队航行到地中海时，“致远”号战舰因添煤过多，火焰从烟筒喷出，引着了舰上外面的设备，舰上一片混乱，邓世昌沉着地命令打开火门，压住火源，并指挥官兵利用舰上的灭火器材和装置，迅速扑灭了大火。由于扑救及时，没有造成损失。
印度洋是南北海流交汇之处，这里暗流多，海浪经常是高达十几米，当舰队航行到此时，汹涌的海浪一个接一个而来，巨大而有力的身躯不断地撞上船头，摔碎在甲板上，情况非常惊险。此时，邓世昌正在发烧，但看到情况非常危险，他不顾自己病弱的身体，坚持指挥航行，最终化险为夷，使舰队安然通过。
在长达数月、行程数万里的远航中，因气候恶劣，航程劳苦，舰队医疗条件有限等原因，有不少水手生病后得不到及时救治而病亡，但在“致远”舰上，由于邓世昌对官兵十分爱护，照顾周到，只有一名水手病故。依照航海旧例，凡病故者，近岸处葬于陆地，如距岸远则投入海中。但在其他水手请求下，邓世昌决定自己承担责任，依照中国习惯将这名水手的尸体备棺入殓，带回了祖国。他对士兵们如同兄弟般的爱护照顾，深得官兵的爱戴。
在这次远航中，邓世昌不依赖洋员，亲自指挥，亲自驾驶，克服了一个又一个艰难险阻，历尽艰辛，终于安全顺利地返回祖国，由于北方冰封，舰队便驻扎厦门进行训练。在厦门期间，邓世昌率领“致远”号众官兵坚持训练，在他的精心管理和训练下，“致远”号上的官兵个个都成为操作能手，人人都是战术行家，人们称赞他们是“使船如使马，放炮如鸣笛，对海战战术了解得透，掌握得精”。
在当时的清朝海军中，多数人都受过新式的军事教育，一部分还曾远洋留学西欧诸国，具有新的军事科学知识和民主思想，作战英勇，邓世昌便是杰出代表。他虽然从未留过学，但平日里却刻苦学习和研究西方的文化，特别是西方海军新的作战思想，当时人们称赞他是西学专家。
1888年4月，“致远”、“靖远”、“经远”、“来远”四舰同时到达天津大沽，编入北洋水师建制。不久李鸿章检阅北洋舰队操练，邓世昌指挥“致远”号战舰表现出色，队列、射击皆列为优等。李鸿章以训练得力奏准赏给他三代一品封典。这年九月，北洋舰队正式成军，分左、右、中、后四军，邓世昌被任命为中军中营副将，并任“致远”舰管带。从军十几年，邓世昌已成长为当时中国海军中最优秀的指挥员之一，他所指挥的“致远”舰，也成为当时北洋水师中最具战斗力的战舰之一。
“致远”号是装甲巡洋舰，与“靖远”号为姊妹舰，是由英国阿姆斯特朗造船厂制造的，舰体为钢板，有装甲防护，排水量2300吨，航速18节，主机功率4103千瓦，装备舰炮23门（其中210毫米主炮2门、150毫米副炮2门、105毫米副炮6门），鱼雷发射管4具。编制官兵202人。1891年6月26日，同“定远”、“镇远”等舰访问过日本。