陈兰彬在出洋肄业局任监督的时间是同治十一年八月（1872年9月）至同治十三年（1874）冬，前后两年多。同治十三年（1874），清政府派陈兰彬前往古巴调查华工受虐事件，调查后，又奉命回国协助总理衙门与西班牙就古巴华工问题进行谈判。光绪元年（1875），中国有史以来第一次派遣国外常驻使臣，清政府任命陈兰彬为驻美、日（西班牙）、秘（鲁）使臣。当光绪四年（1878）陈兰彬第二次赴美时，他已经以中国驻美公使身份在美国华盛顿上任。严格地说，陈兰彬在光绪元年（1875）以后，就与出洋肄业局没有关系了。只因为他是首任监督，又常驻美国，当肄业局出现问题时，清政府首先问责的就是他。
陈兰彬在任出洋肄业局监督期间，积极配合容闳安排幼童入住美国家庭，安排学生入读相关学校，鼓励学生适应美国的生活，并对美国人对中国孩子的照顾表示感谢；及时地向李鸿章汇报肄业局工作的进展；完善肄业局的规章制度；关注学童的学业，学生的每一进步他也加以鼓励。
在留美肄业局里，陈、容有一定的分工。陈的责任是使留学生在美国继续学习中文，容的责任是照管幼童的国外教育，为他们安置住处。学生的经费则由两人共同管理。为了使幼童到达美国立即有安身之处，容闳在第一批学生出发前，提前一个月前往美国。在朋友的帮助下，他找到在康涅狄格州教育部负责人诺斯洛普（B。 G。 Northrop），诺斯洛普热情接待他，并建议把学生安排在新英格兰的一些家庭中，每家可分配2－4名学生，在他们进入初级学校之前，幼童在这些家庭里不但能得到照顾，还可以受到教育。于是，容闳把康州的哈特福德市作为总部所在地，将机构设在该市桑姆街（Summer Street）达两年之久。考虑到马萨诸塞州的斯匹林菲尔德是向新英格兰分配学生最居中的地方，容闳也以此为分配学生的中心点，由这里陆续把前来的学生进行安置，就这样连续了三年，直到1875年结束。陈兰彬高度赞扬美国人民对中国幼童的爱护和关怀。他在信中说：“至此间人情和善，与英法之欺蔑华人者大相径庭，各童在馆，洋人供保护顾爱，体贴周至，有疑如学工差使者绝不然也。” 《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第64页。
在李鸿章的支持下，容闳在哈特福德市柯林斯街（Collins Street）兴建了一座堂皇而坚固的楼房，作为“幼童出洋肄业局”永久性总部，并于1875年1月开始使用。陈兰彬也为“幼童出洋肄业局”总部的兴建向国内申请经费。光绪二年（1876）是美国建国一百周年，当年访问美国的李圭在他的《环游地球新录》一书中记录了原来的总部。书中写道：“总局屋系租赁，为楼三层。进门右手为客厅，后为翻译房、饭屋，左手为教读房，为幼童饭屋，楼上为公事房、卧房，最上层为至圣殿，北向临窗为拜阙所。屋甚狭小，不敷用。”那时，新的大楼在建筑中，在容闳的带引下，他又到了考联街观看新址。书中又写道：“图为容公手笔。计广二百尺，深三百尺，较现租之屋，大可三倍。诚非此不特不敷用，且不足彰中华体统也。” 李圭：《环游地球新录》，第68页。容闳建永久性总部的动机，是让留学教育在美国扎下根，永不退缩。他在回忆录这样记载：
这是一所宽敞的三层楼房，面积之大足以同时容纳肄业局的所有职员、教师和75名学生。其中设有一间专为学习中文之用，此外，餐厅、厨房、宿舍及浴室俱全。我建立一座永久性总部的动机是出于要使这个肄业局尽可能在美国扎下根，使中国政府对这一行动无法再作退缩。 容闳：《我在美国和在中国生活的追忆》，第107页。
容闳希望留学教育这一新生事物能开花结果，但事与愿违，六年后，首批中国留学生全部撤回，肄业局仍屹立在异国他乡，但已人去楼空。陈兰彬高度评价容闳为肄业局的创建付出的辛劳，肯定容闳受洋务大员所托，在美国购置机器的艰苦。他在1873年给上海出洋局刘翰清的信中说：“莼翁在此，料理幼童，稽查洋馆，事事仗其出力，本难分身，兹以去岁奉伯相面谕，询查化矿变钢卷铁等机器，莼翁到美后，奔走核考，绘图译说，实费数月苦心，而图说仍有未能详尽者，自非亲赍面禀，不克洞达，是以商令暂时回华，禀明公事，即须旋返，愈早愈妙，难待第三批幼童结伴同行。” 郭廷以、陶振誉主编：《中美关系史料》同治朝，下册，台北：中央研究院近代史研究所1968年版，第1061页。
同治十二年（1873）六月十二日，陈兰彬给好友李兴锐的信中，反映幼童在美国的情况，以及陈兰彬的留学教育思想。第一，信中反映陈兰彬抓紧幼童中文学习。信中说：“弟二月以前，止附近幼童来寓，复书改文，傍晚两点钟工夫尽可毕事。三月复定轮班章程，四人一班，调到寓所专读华书，每日讲书、复书、背书各二次，写字二篇，或作‘解’或作‘论’，为之订改，复讲圣谕，附以律例。自五点钟起，至九点钟寝息，中间遂鲜暇晷矣。” 《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第64页。事实说明，幼童在中文学习方面大有进步，取得一定的成绩。第二，陈兰彬注意到学生必须分开才能学好外语，但也须思考注意处理好英文、中文两不误。在管理留美教育中，陈兰彬实际上也在实践中不断思考，而思考最多的则是如何使中文学习和英文学习两不误。陈兰彬意识到，把幼童集中起来，对他们学习英语是不利的。他说：“各童聚集无不华言为便，倘此三二年内，不将各童隔别派开，欲其透熟洋文洋语，先不易易。”如果集中起来，他们的华语一定学得很好，但是，“与在中国课习无异，似非出洋本意耳”。这里说明陈兰彬是同意把学童分开，便于融入美国社会，也便于学好英语。当然，他也担心学童偏废中文，所以时刻在考虑如何处理恰当。他说：“当时亦虑其全荒本业，当从洋人订定，每日有一点钟读中国书、写中国字，教习等时往查考。今加上轮班一节，回馆后仍写读查考如常。” 《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第64页。第三，落实章程的规定。陈兰彬处处注意落实出洋肄业局章程，严格要求学生们不得入教。当“幼童之派各馆”，陈兰彬一再叮嘱容闳“订明不进礼拜堂”。到了美国，陈兰彬感受到“外洋繁华已极，美国尤甚”。面对美国的繁荣，作为一名学生的领队，他考虑较多的是如何引导学生正确看待美国的物质生活，要懂得“繁华非体面，悭俭非不体面”，也就是说，追求物质享受并非体面，而节约省俭也非不体面，他要“各童尤切切戒之”。
陈兰彬安排幼童在美国生活和学习的工作进行得比较顺利，他及时向李鸿章汇报肄业局的情况，大谈美国政府对中国留学事业的支持以及美国人民对学童无微不至的关怀。同治十二年正月二十九日（1873年2月26日）李鸿章给总署的函件谈及：“接出洋委员陈主事兰彬九月十八日自美国来函，……肄习一事为美国上下所欢悦，想亦镂公使办事周至，乃得如此。” 《李鸿章全集》第7册，第4081页。光绪元年（1875）李鸿章在奏稿中提到陈兰彬的汇报，称：“据陈兰彬等禀称，驻洋各幼童肄业，洋文粗有蹊径，俟其娴熟，即须就性质所近，分门别类，专心研求，以裨实用。该委员等布置督率，悉臻周妥。” 《李鸿章全集》第2册，第1094页。从李鸿章的函件中可看出，李鸿章对出洋肄业局的工作是肯定的。
同治十二年闰六月二十九日（1873年8月21日），陈兰彬写信给上海留美预备学堂校长刘翰清，介绍了留美学生的状况。他说第二批“出洋幼童，如吴仲贤、李攀等，书法实为头批所无，各童洋语，刻下自未及驻洋日久诸童，而如容揆、李恩富等，容阶所列洋语一等均确，实已难得，内有语音尚生数人，想系入局未久之故，然即此已觉良工心苦矣”。陈还提出，为提高幼童的中文水平，以后要“将学生轮班调局，专习唐文半月”，并“兹特刻明”，“不准官生入教，及到礼拜堂”。 郭廷以、陶振誉主编：《中美关系史料》同治朝，下册，第1059-1060页。可见，学生的每一进步，都令陈兰彬欢欣鼓舞，他及时向国内汇报，以事实说明留学教育此举是成功的。
《申报》报道了第一、二批学生的情况，不失时机赞扬留学是培养国家优秀人才的好途径。文中写道：
幼童之出洋也，前后所去两批，计共有六十名，俱分居于美国各书院，内拨中国官生两名与美国人伴读，按月考课，训导谆谆，而中国幼童亦日有进境。闻今年二月分月课，梁敦彦考取第一名、蔡绍基考取第二名、黄开甲考取第五名，凡在前列者已陆续升入大书院内学习，行见蒸蒸日上。不数年后，中西各学尽能通贯，此诚我国家作人之雅化也。其尤足喜者，各幼童在外洋，俱得起居安吉，并无水土不习之虞，曾将西国照相法，每人各照一相，邮递至出洋总局，则皆容颜丰腴，仪观雄伟，彬彬然尽有儒者风也。现在第三批幼童业已选定三十名，不日随祁司马前去，作十五年之壮游，经六万里之沧海。乐哉斯行也。 《出洋总局挑选第三批往美国幼童名单》，《申报》1874年8月6日。
陈兰彬对留美教育持肯定的态度。他这样写道：
肄业之举，百二十人为度，即将来有所甄别，尚在百人以外。在洋久习，洋人行径，群得周知，各所畏忌。内中倘得三数十人，中外学术精通，凡彼长技我可并驾齐驱，遇有事端，足与议论上下，将不战屈人，或在于此。大约就洋学节次而论，初数年在小馆，概习重文；再数年进大馆，博求其理。然后审度性质，分门别类，从所造而务致其精，中等天资，殆非十余年不办。刻下才有端绪，岂遂废然而返，不欲观成？ 《陈荔秋致丁乐山观察书》，《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第66-67页。
这段话，反映陈兰彬对留学事业的几个观点。第一，前往学生共120人，当中肯定有中途甄别者。第二，久在外洋，必然受洋习所影响，虽则畏忌，但也难以避免。第三，在美国学习的过程，先在小馆学习，重在解决语言问题，进而进大馆，博求其理，分门别类学习西方的学问。这样的过程，以一个中等程度的学生来说，也要十余年的时间。第四，学生们的学习等事，已“续有端绪”，是个可喜的开端。不难看出，陈兰彬对留学事业的合理安排、正面的评价，同时也预料到前进中会出现的问题。事态的发展，完全如他所料。陈兰彬的分析一再证明，他对留学教育事业的态度是支持的，并对他监督和管理留学幼童的工作尽心尽力，态度积极。
同治十三年（1874），陈兰彬奉命往古巴调查华工情况后，回到肄业局看望幼童。他满意幼童们的表现。他认为，幼童学习英语，虽然优劣不齐，但大部分都有进步，不仅会说，“即西文之不甚深奥者亦可解识”。在幼童的生活表现方面，他也很看好。幼童分住在美国家庭，美国人“无不交口称赞，谓其有温顺谨勤之品格，故爱之如己出”。他也强调幼童要定期到总局学习中文，时间为半个月。《申报》的一篇题为《出洋幼童在美国近状》文章报道了此事。文章写道：
中国星使前奉命往古巴查看华佣实在景况，闻曾路过美国，到出洋幼童所肄业之处。据称各幼童学习西文，优劣虽未能致，而其中已有大进境者，不但语言能声入心通，即西文之不甚深奥者亦可解识矣。又曰各幼童分寓于美国人家内，而美人无不交口称赞，谓其有温顺谨勤之品格，已故皆爱之如己出。中国所遣去之华师每照时收归总局考究，使俟半月以轮读华文也。又闻各童于半月轮读华文之后，发回至所分居各西人家，无不忻然而去，于已知美人相待之优，抑或总局内所授教者，其督责故为较严欤？ 《申报》1874年12月10日。
作为出洋肄业局的监督，陈兰彬很注意局内章程的完善。他把完善了的章程分别寄给上海肄业局刘翰清以及李鸿章，李鸿章一再嘱上海局照办。同治十二年六月二十日（1873年7月14日）李鸿章复沈经笙宫保信说：“昨接陈荔秋主政兰彬三月间自美国致上海刘道翰清函稿，言出洋学生情形，及各国新闻甚为详晰，照钞奉览。” 《李鸿章全集》第6册，第3546页。根据留学章程，陈兰彬很强调留学生学习中文，“将幼童轮班调局，专习唐文半月，当即用洋文刊刻课程八条，逐馆给发”。他又希望中文教师讲好课，使幼童打好汉学根基。他给上海出洋局刘翰清的信中写道：“现在入局之童，看果聪慧可挑者，望阁下请教习先生着实讲与书义，能有十数页书义在胸，拓充自易，根基自固也。” 郭廷以、陶振誉主编：《中美关系史料》同治朝，下册，第1059－1060页。光绪元年（1875），陈兰彬拟驻洋局章程四条，寄给李鸿章，李鸿章认为“均甚周妥”，分别寄给上海、哈富（今哈特福德市）两局照办。
合理使用经费也是作为监督的陈兰彬需要考虑的问题。为了使留美教育事业正常发展，以期按计划造就人才，陈兰彬等人密切关注经费的支出，保证学生的学业不受影响。当时的美国，由于受到南北战争的影响，物价飞涨，陈兰彬在信中说：“此间食用之贵，诚出意外，闻亦由前数年南北花旂打仗，改银用票抽收致然。”面对经济上的困难，陈兰彬还是妥善安排，尽量不向国内伸手要钱，他说：“看至年底将出入之数统计，苟可勉强支柱，断不上渎宪聪。” 《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第65页。
但是，随着出洋肄业局事务的发展，原定的经费开支越来越入不敷出。于是，先是陈兰彬，后是区谔良和容闳都分别奏请增加出洋肄业局的经费。光绪三年九月十九日（1877年10月25日），李鸿章为驻洋肄业幼童经费不敷，请于南北洋海防项下分年匀拨的奏折充分反映这一事实。李鸿章的《驻洋幼童匀拨经费折》一开始就回顾幼童出国的经费开支，以及陈兰彬等人关于经费问题的汇报。奏曰：
……窃臣鸿章前与原任大学士两江督臣曾国藩奏请，挑选幼童赴美国肄业，以求洋人擅长之技，而为中国自强之图。当经总理衙门核覆奏准，自同治十一年起至光绪元年止，每年挑选幼童三十名，共合一百二十名，分作四批，按年出洋肄业在案。原议每批幼童驻洋十五年，每名每年束修、膏火、屋租、衣食等项银四百两，连委员翻译教习薪水及其余一切用费，通计首尾二十年需银一百二十万两，在江海关六成洋税项下按年汇寄，应用有余归公，不足补给。
上年，原带幼童出洋之太常寺卿陈兰彬回华，面称幼童驻洋十五年，通计每名每年银四百两，殊不敷用，接带委员主事区谔良，原派委员补用道容闳，自洋续禀，亦以为言。臣鸿章饬令该委员等通盘筹算，核实具报，旋据区谔良、容闳筹算禀覆，恳请添拨，经臣葆桢咨请总理衙门核示接准，覆称此项经费应于何关添拨，由臣等斟酌奏明办理等因。
查区谔良等节次来禀，美国税增物贵，束修、膏火、屋租、衣食各费倍于从前，幼童初到美时，或入小书院，或附人学馆，用费尚省，迨三、四年后，渐次考入中大书院及技艺院、军政院、船政院，每院又各有班次等第，逐年循序而进，学有浅深，馆有大小馆，与年而俱异，费亦与年而俱增，计每批每名至第五年约须加银二百两，第七年以后约须加银四百两等语。 《李鸿章全集》第3册，第1260页。
造成经费拮据的原因有两个：一是当时正是美国南北战争结束不久，税收增加，物价飞涨；二是头两批学生已到进大书院的时候，开支必须增加。正如李鸿章在奏稿中所曰：
察核所禀，系因南北花旗战争后，元气未复，税项频加，诸物昂贵，一切用费增多，本属实情。原议经费，系就以前华人在彼情约略科算，亦未能细考。书院大小班次等第，盖远隔重洋，事属创始，实难遥度悬定也。此举为造就人才，渐图自强，至计关系甚大。据报头二批学生一、二年间，已有可进大书院之童，即应专心研求，以裨实用，断无惜费中止之理。 《李鸿章全集》第3册，第1260-1261页。
如何解决？李鸿章等人经多方咨询、上奏，最后获朝廷批准。决定按不同学习阶段所需，增加经费二百两、三百两和四百两不等；增拨之款，自应于江海关四成洋税内之二成奉提，南北洋海防项下分年匀拨。如奏曰：
惟库款支绌，筹划艰难，不得不格外节省。臣等再三咨询，酌中核减，每批第一年至第六年尚在中小书院，应仍照原奏每名每年银四百两，由该员等截长补短，通融济用。第七、八两年，每名每年应添给银二百两，第九、十两年每名每年应添给银三百两，第十一年至第十五年，照奏定章程，学成游历用费较广，每名每年应添给银四百两。
现有事故撤回幼童九名，腾出原拨经费及减去翻译每年薪水银六百两，均应拨抵。统计除原拨经费一百二十万两外，先后九年约共应添拨银二十八万九千八百两，系分批按年乘除推算，其间数目参差不一，有每年应添拨一千二百两者，有每年应添拨四万二百两者，应令江海关道挨定年分批数照章核明汇寄，仍饬该委员等撙节开支，分晰造报。如续有事故撤回幼童，即报明将原拨添拨经费，随时截止。查江海关六成洋税解支不敷原拨出洋经费已巨，势难再令筹添。此外各关均甚竭蹶，无可指拨。因思幼童出洋肄习各项技艺，原为洋务海防储备人材，他日学成回华可资器使，此项添拨银二十八万九千余两，自应于江海关四成洋税内之二成奉提，南北洋海防经费内就近按年匀拨，分批搭汇，在该关为有著之款，而海防亦分摊无多，庶出洋幼童学业可成，不至以经费不敷浅尝辄止。 《李鸿章全集》第3册，第1261页。
陈兰彬在任出洋肄业局总办期间，在一些问题上与其副手容闳已产生一些矛盾，但未演变成白热化。他俩的分歧突出表现在两方面。一方面，陈、容之间在留学目的上看法不一。容闳倡导的留学教育，目的是培养一批不同于旧式封建文人的新型知识分子，这些新人既了解世界，又具有一定的科学文化知识，并按照西方资本主义模式改造中国。陈兰彬主张留学，在于培养一批懂洋务，但又能效忠于封建制度的知识分子，学习西方科学技术的目的在于维护封建制度。另一方面是对待基督教问题。当时，清政府采取禁教政策，留学章程中也明文规定禁止学生到礼拜堂和入教。陈兰彬也很注意落实这一条，他曾在信中写道：“缘前此不准官生入教，及到礼拜堂，止系口说，兹特刻明，俾举国皆知。闻洋人也列入新闻纸。” 郭廷以、陶振誉主编：《中美关系史料》同治朝，下册，第1059页。带领第二批学生的黄平甫亦说，美国人看到这一告示，“亦无议论”。陈兰彬对基督教当然有偏见，他取笑教堂做礼拜时，唱诗经等活动，“与中国登场卖技无殊”，教堂收钱，“亦与中国戏院一律”。一些幼童在作文中谈及对基督教的看法，引起陈兰彬的注意。他在信中说：“幼童中多有识透者，尚未能人人皆然。忆前两月，梁敦彦有契教人伦论，原题反振一段，暗举外间不伦之事，胪织成文，淋漓痛快，惜不能记录。犹记何廷梁谨庠序之教解，末段杨墨并提，而撇去杨朱，重斥墨翟云。彼意主兼爱，欲摩顶放踵以救世，适足以自戕其躯，而世犹崇奉其教，非所谓大愚不灵者耶，亦算当头一棒矣。此等幼童，虽常戒其轻薄，要不能不喜其隽快。” 郭廷以、陶振誉主编：《中美关系史料》同治朝，下册，第1059－1060页。
尽管陈、容两人在对留美幼童的目的的看法和管理上存在着矛盾，但陈氏并未由此萌发出撤回幼童的想法，后来他有点思归的情绪，这在李鸿章给朋友的信中曾提到过，李在信中说：“陈丽秋本有归思，替人难得。” 《李鸿章全集》第6册，第3568页。 又说，“赴美子弟虽经曾文正商派陈荔秋、容莼甫二人带往，荔秋品学极佳，而人地生疏，专恃莼甫为目虾，每有老倦思归之意。一时竟无替手出洋久住，先须熟习外邦语言文字，然后动中窾要”；“若副以素不相习之华员，必致凿枘，若徒委中国学生于外人之手，又恐远久，或有格碍。想大才必有妥策，望熟筹见示为幸。若须派委应请由尊处筹度呼应较灵”。 《李鸿章全集》第6册，第3562页。李鸿章始终找不到人替代陈兰彬。不久，陈兰彬又接到总理衙门的函件，朝廷委任他前往古巴调查华工事宜，陈兰彬曾向南北洋通商大臣请假回故乡处理祖先迁墓之事，也“自当从缓”，陈兰彬又带着体弱的身躯风尘仆仆赴古巴调查中国华工情况。
在任肄业局监督时，陈兰彬确实想回国，回国的理由是体弱多病，想找一位年富力强的人替代他的工作。但是，只要一天找不到人顶替他，他绝不会为此意气用事。他给朋友的信中写道：“弟生质本弱，遇事筹思，辄觉心力不足。五旬以外，往往看书不能终卷，写字每多错漏，一夜不寝，次日即疲”，“出洋以后，目眵耳鸣，眠食减损，与前渐异，此身亦无足计，惟夷人敬壮欺老，古今所同。得有替人，亦大局所系也”。 《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第66页。又说：“惟中国亲友信来，频以衰老为念，揽镜自照，亦顿觉发皑皑而视茫茫，且言语健忘，举步蹇缓，精力有减无增。窃念夷性贵壮侮老，从古而起。如得有年富力强之人，肯来经办，于公事岂不大有裨益？忠心耿耿，实在如此，可对天地质鬼神者也。若无接替，亦必法鞠躬尽瘁之义，始终不渝。至于捷径之嘲，谪戌之诮，所谓不入耳之言，早已一笑置之。” 《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第66页。这封向老朋友袒露心扉的信，既能证实他有思归的念头，又能证实他的思归与留学生问题无关，因为该信中大谈学生的进步，很想看到此事业成功的一天，他兴奋地说：“刻下续有端绪，岂遂废然而返，不欲观成？”对于他思归的各种说法，他只是一笑置之。