光绪四年（1878），陈兰彬以驻美公使身份再度赴美，第二年出使西班牙。由于经费的不足，中国遣使制度采取兼任制，陈兰彬任驻美公使同时兼任驻西班牙和秘鲁公使。事实上，陈兰彬的公务是以美国为主，兼顾办理西班牙和秘鲁的事务，一直迟迟未赴西班牙，郭嵩焘曾批评陈兰彬，“出洋年余尚未能一赴西班牙都城”。 郭嵩焘：《养知书屋集》，清光绪十八年（1892）刻本，第274页。
光绪五年三月九日（1879年3月31日）陈兰彬致函美国外务大臣，告知三月十八日（4月9日）赴西班牙，“此后所有本署一切公事，暂归副使容大臣接理”。 黄嘉谟主编：《中美关系史料》光绪朝（一），第530－531页。陈兰彬出使西班牙时，曾纪泽赠一首诗，题为《送陈荔秋太常使西班牙诸国》，诗云：“词曹礼寺总声名，午夜卿云拥使星。万古奇文增旧史，四方专对仗遗经。龙章越海颁西域，鹏翼培风起北冥。谈笑三年勋绩蒇，归来吾与酌湘醽。” 曾纪泽著，喻岳衡点校：《曾纪泽集》，长沙：岳麓书社2005年版，第251-252页。
陈兰彬一行有副使容闳和参赞叶源濬等人。 《中国钦差至古巴》，载《万国公报》合订本第10册，第6276页。此行于光绪五年三月十六日（1879年4月7日）在美国华盛顿起程，十八日（4月9日）赴纽约海口搭船，闰月初二日（4月22日）至英国利物浦登岸，初三日（13日）到伦敦。十二日（5月2日）到法国的巴黎，四月初一日（5月21日）行抵马得力，即西班牙首都。陈兰彬写信给薛福成说：“计由美都至日国马得力都城，水陆一万九千余里，大小舟车多番驳换，共行四十二日。” 薛福成著：《薛福成日记》上册，蔡少卿整理，长春：吉林文史出版社2004年版，第269页。
初四日（5月24日），陈兰彬偕同吴嘉善等人前往西班牙皇宫呈递国书。国书颂辞云：
使臣陈兰彬恭膺我大清国大皇帝简命，亲赍国书前来，以表永远和好之意。伏惟大日斯巴尼亚大君主仁心善政，锡福群伦，五土友邦均敦睦谊，我大皇帝实深欣悦。今使臣聘问贵国，驻扎伊始，惟愿彼此情通，两国共臻安乐，长享升平，不胜庆幸之至。赍奉国书，谨此呈览。
答辞云：
今吾接奉国书，十分欣幸。因贵国大臣是大清国大皇帝特派公使，驻扎本国都城；贵大臣又达贵国大皇帝和睦之意，吾甚感情。吾今亦虔诚答复，恭颂贵国大皇帝福祉日增，国家隆盛。请贵大臣达知贵国大皇帝，彼此两国友谊益敦，均有利益。贵大臣才望素著，以后吾国同心帮助，贵大臣亦可容易尽职，用特颂复。 《薛福成日记》上册，第268-269页。
陈兰彬此行不仅仅为了递交国书，而是要落实中国与西班牙刚签订不久的《古巴华工章程》十六条，并在古巴设领事馆。刘坤一给陈兰彬的信中说，西班牙伊公使甚盼陈兰彬早赴该国筹商和约内一切事宜，设立古巴领事，并前往该处察看近来情况。刘坤一认为，“查中国与日国交涉各节，均有条款可循，惟搭客与招工辨别为难，往往滋生口舌。专候台从行抵日国，斟酌善法，而后呈请总署另议简明章程，以期两无抵牾，是则中外皆受厚赐矣”。 刘坤一著，中国社科院历史研究所编：《刘坤一遗集》（五），台北中华书局1959年版，第2448页。当时驻英国公使郭嵩焘也把英人议论古巴招工各款寄给刘坤一，这些议论与陈荔秋所寄新闻纸“所闻略同”。刘坤一著，中国社科院历史研究所编：《刘坤一遗集》（五），第2449页。
陈兰彬此行的重要任务是在古巴建立总领事馆。领事馆的班子由下列人员组成：刘亮沅（字湘浦）为古巴总领事，陈善言（字几亭）为领事兼马汤萨斯（旧译马丹萨）领事，刘宗骏为随员，廷铎为法文翻译，杨荣忠为学习随员，谭乾初充英文翻译。陈兰彬向西班牙外部介绍，刘亮沅“练达持重”，陈善言“谙习洋务” 颜世清：《约章成案汇览》，第420页。。领事馆一行6人于光绪五年九月十二日（1879年10月26日）抵任。 谭乾初：《古巴杂记》，见《晚清海外笔记选》，第223页。 陈兰彬向朝廷递交《设总领事等官驻扎日国古巴岛折》，奏曰：
臣等奉命出使日斯巴尼亚国，该国有古巴属岛距其国都约二万三千里有奇，同治十三年春，臣亲往查看，见有华民六万余人在彼佣作苦工，嗣经总理衙门与该国订优待华民条件第十六款，于去冬互换，应即遵照办理设立领事等官前往驻扎，以资保护。见查所带随员户部候补主事刘亮沅练达持重，堪以派充总领事，候选同知陈善言谙习洋务，堪以派充领事，当经发给委扎，照会日国外部，惟是开办之始，事务较繁，扎委户部笔帖式廷铎、候选州判刘宗骏、候选县丞谭乾初、从九品杨荣忠随同经理。 刘锦藻：《清朝续文献通考》，第5599页。
在华人集中的地方设立领事馆，保护华人，是所有驻外使馆的重要任务之一。正如总理衙门所说：“驻扎西洋公使，万非今日急务，其间惟美利坚之金山，中国流寓数万人，左近秘鲁及西班牙所属之古巴兼有招工事宜足资办理。” ［清］葛士濬编：《清经世文续编》，第1983页。但是，任命领事官，政府委派还是洋商兼任？各有好处。时人评述：“日国古巴岛初设领事，光绪初年出使美日秘大臣陈兰彬奏，派候补主事刘亮沅充总领事，候选同知陈善言充领事。洋商兼充领事官之职，有由本国特遣，有委该处商人充当者，然以商人充当，不如遴选品学兼优之员，办事尤为妥协，盖公私既难兼顾，又为彼国之民而归地方管辖，然此等领事仍复不少，因小国国课有限，若特遣领事经费较巨，故从权委派商人办理。” 杞庐主人：《时务通考》，第743页。
古巴领事馆成立后，总理衙门仍然担心西班牙古巴当局不能按古巴条款办事，不能“实力遵办”。事实上，在建立领事馆问题上，西班牙提出，不能使用外国人为正副领事。李鸿章给陈兰彬的信中说：“古巴条款大致议妥，尚不知该国能否实力遵办。至用外国人为正副领事，乃事所常有，无足怪者。如各国在华领事缺人，往往令他国兼代。纯甫七月间函称金山领事须派洋官为副，靠伊办理，方能整顿，俟办有条绪，然后华官专司其事，自亦确有所见。古巴情形更多碍手，中国暂无兵船往驻，非联络各国断难得劲。彼不许用外国人，即不欲遵改旧章之意，一时自难定期矣。” 《李鸿章全集》第6册，第3668页。
光绪五年（1879）冬，西班牙驻华公使伊巴里亲住古巴查看华工情形，并要求与刘亮沅领事商议增加招工条款，企图以借垫川资为名实行招工，遭到刘亮沅的拒绝。刘君回答：“贵国主意一篇之大旨，不过急于雇用工人耳。中国亦无不愿华人出洋之意，只因古巴从前看待华人太薄，所以有十六条之设也。今若于十六条外，又复别立条规，吾恐贵国求之愈急，则中国拒之愈坚。莫如趁此开办之初，将弊政实力剔除，俾中国知十六条之非虚设，华人在此均能自主自由。则中国人民既多，是处工价亦好，利之所在，人必趋之，将见不招自来。” 黎庶昌：《西洋杂志》，第32页。伊巴里问刘亮沅当前应先做哪些事？他愿意“实力相助”。刘君回答，有三件事必须是当务之急：一是华人之不愿在古巴者，应照约送其回国；二是官工所须概行裁撤；三是伊巴里应偕同总领事和领事巡查外埠糖寮数处。伊巴里同意刘亮沅的看法，并嘱古巴总督、副总督遇事多与中国领事商量解决。
光绪六年七月十六日（1880年8月21日），在中国领事馆的要求下，古巴总督开列华人章程五条。全文如下：
第一款凡华人有工主合约未满者，如工主责工人守约，止可向律例衙门呈控令其遵守；如合约内有于华人裨益者，华人亦可一体呈控令工主遵守。至华人在公堂上，无论罪案及钱债案，其所得权利以及控诉之法，均与相待最优友睦之国人民一样。
第二款凡合约未满之华人，不得藉有上款优待之条，便不遵守合约。如合约内工期未满，须要将工做满。或有不守合约者，其所应得之责罚，亦不得与其人自主之处相背。因华人现系自主之人，应与相待最优之各国人一例相待。
第三款凡各处官工所现在拘禁之华人，除系犯罪应候审结者或已定案者未能即放，其余或因逃走、或因听候帮工、或因来历不明之类，无论因何事故拘留者，限此次出示后之十日内，尽行一律释放，并给与行街纸，惟行街纸上要注明“官工所放出”字样。
第四款从前差役拘拿未有行街纸之华人及逃走之华人，所有往日一切办法即行删除，嗣后不许照旧办理。因无行街纸者，不得与犯罪同论。惟中日条约载明：凡岛内华人，无论工期已满未满者，均应给与行街纸。今限至九月十五日止，如有华人未领行街纸者，即按例罚银，如无银交，则按例坐监抵罚。
第五款嗣后凡有华人犯罪，须要经明律例衙门审讯，与别国人民无异；其应得衙门各项宽待之处，亦与相待最优友睦之国人民一体均沾。 黎庶昌：《西洋杂志》，第33-34页。
中国领事馆的建立是华人的福音。中国领事馆建立后，决定根据条约的规定，改善华人的待遇。张荫桓亦赞扬领事馆的建立，他在日记中写道：古巴虐待华工，“事闻于朝，特令前副都御史陈兰彬往查诘，华人环递诉词，裒然成帙，遂与日斯巴弥亚国重订条约，陈副宪旋握使符驻扎美、日、秘三国，抡派知府刘亮沅、知县陈善言驻古巴为领事官，诸华人乃重见天日，数十年虐政一旦扫除。华人佣力自食，无官工所之束缚，拐贩绝迹，商贾渐集，蔚然可观。前年直粤水灾及海防诸费，领事官劝谕华人捐助，一呼而集二万余金，可谓不忘本矣”。 《张荫桓日记》，任青、马忠文整理，第191页。这里说明中国驻古巴领事馆建立前后古巴华人的不同境况和待遇，说明海外领事馆建立的必要性和影响力。
领事馆建立伊始，馆内同仁为古巴华人做了许多实事。
首先，领事馆与西班牙总督多次交涉，为古巴华人取得“行街纸”，即护照。当时的情况，华工若无“满身纸”，其他雇主不能雇用，古巴地方官和其他国家驻古巴领事，又不肯给华工发放“行街纸”。刘亮沅了解到古巴华工的情形，决定“应按照条约，无论工期已满未满，概令到领事署报名注册，每人发给执照一张，并代领准单”。于是，领事馆成员分别到古巴各地，按官工所内底册所列各华人当场点名，即日释放，每人给以“行街纸”一张。统计各埠释放者，共二千余人。光绪六年（1880）中国驻古巴总领事馆共发“行街纸”四万三千余张。华人纷纷叫好，欢腾于色。黎庶昌在《古巴设立领事情形》一文中，记述领事馆发放“行街纸”的情况。文中说：
今应按照条约，无论工期已满未满，概令到领事署报名注册，每人发给执照一张，并代领准单，无庸俟有满身纸以为区别，方不致授权于工主，迫胁之风，或可暂息。故每日到署领纸者，无不欢腾于色。领事署内设木筹数百，每华人入门，散给一筹，编列号数。依先后次第，传入讯供，签名发出，至六点钟而止，然后填写汉文、日文档册。……开办之初，几于日不暇给。其在外埠者，则托人寄办（每月酌予酬金）。 黎庶昌：《西洋杂志》，第31页。
既然华人均在中国领事馆领取证件，这么一来，英、美等国领事，也将华人名单，开送交中国总领事馆，由中国领事馆保护，以后停止给华人出证件。只有在英国土生土长、已入籍的华人，仍归英国保护。按古巴法律，在古巴居住已满三年谓“长居”，未满三年者，谓“寄居”。寄居人的“行街纸”，免纳税费。照新例，凡外国人转换“行街纸”，须要本人亲到该管地方官处领取。但中国领事馆为保护华人起见，决定为华人免费办理。随着领事馆工作范畴越广，支出的经费越多，如注册的笔墨纸张费，穷民看病医疗费等，致使领事馆的经费经常拮据。后来陈兰彬向总理衙门汇报，拟定华人注册时，每名收册费银纸二元，但年老和残疾人免收。
同时，领事官注意到废除对华人的苛刻之例，关心残疾华人。从前不准华人住大客寓，穿中国衣服，留辫发，坐大马车，赴官会等等苛刻之例，一概删除。在古巴，盲人、残疾和乞丐华人甚多。总领事劝告各埠分设会馆，使残疾者有养，并拨助各省医院经费，使贫病者有医。
此外，领事馆在沟通古巴华人与祖国、家乡的联系方面做了大量的工作。许多华人到古巴后一直没有与家乡联系，一方面由于交通不便，无处可以托寄，一些外交官员经常向政府禀报，经常发现海外华人“有一纸家书，十年不达者”；另一方面，华工多文盲，不识字，无法写家书。为了使旅居古巴的同胞们了解祖国，总领事和各位同事，集资购买万卷书籍，分给各处，华人出国日久，许久没有看到中文书籍，感慨万分，如获至宝。同时，当华人到领事馆时，领事馆人员热情地为华民写家书。为《古巴杂记》作序的张荫桓也谈到谭乾初为华人写家信并主动为他们邮寄的情形，他说：“尤可嘉者，为华人设书邮以通重译，华人每得家书辄痛哭，既振其水源木本之思，而其父母妻子亦知远人音问，保全实多，此皆子刚（即谭乾初）不惮烦琐为之，往返分寄，其功在语言文字外也。” 《张荫桓日记》，任青、马忠文整理，第192页。但是，使馆公事繁忙，无暇为各人写家书，于是，又特刊通套信文数万纸，分布各埠，使不甚识字之人，亦易于填写。除写信外，帮华民汇款者也不少。
中国古巴领事馆建立后，坚持以《古巴华工条款》为准则，保障古巴华人的权益。遇上大小案件，一旦华人要求相助，领事馆也尽力而为。谭乾初任领事官时，曾与地方当局交涉，“告以乡约局所欠华工工资”，请求偿还，并获成功。 崔国因：《出使美日秘国日记》，第263页。有了领事的保护，“勒索既无，稽查尤少”，遇上发生的案件，“绅则推情，官则按例，无不立刻妥办”。据光绪六年（1880）统计，哈瓦那“所犯谋杀命案数十起，白人居六，黑人居四，华人则无一犯者”。古巴总按察司因此一事，特亲自到总领事馆道贺，说领事政治有方。领事馆保护华人，华人感到有安全感。领事到古巴各地，所到之处，都受到华人热烈欢迎，土人也因此悦服。
随着领事馆事务越来越繁忙，光绪七年（1881）中国又在古巴各埠设立领事官代理。“添设之法，或华人、或洋人、或华、洋并理，均择埠中名望素著者充当。” 谭乾初：《古巴杂记》，见《晚清海外笔记选》，第229页。 后任美、日、秘三国公使的崔国因，也深感领事馆对华人保护的重要，他写信给古巴总领事时说：“以该岛当日之事势，而能有今日办理之情形，殆始愿所不及者，官工所既经撤去，华民满工者均得为自主之人，虽其行街纸章程朝令暮更，华民不免受累，然较之从前之被虐相去悬绝。” 崔国因：《出使美日秘国日记》，第11-12页。光绪八年十一月二日（1882年12月11日），刘亮源向西班牙政府提出请求，希望给中国人建一个墓地，遭到当时古巴当局拒绝。直到光绪十九年（1893）才在距科隆墓地百米之遥的托雷斯庄园里为中国人建了一个墓地。在入口处有一个拱门，上面写着“华安公墓”四个大字。［古巴］梅塞德斯·克雷斯波·比利亚特：《华人在蔗糖之国——古巴》，第48-49页。
清政府派往各国使领馆人员，在不同时期有不同的规定。按光绪二年（1876）规定，使馆参赞二人翻译四人；光绪十四年（1888）又规定翻译随员二人或三人，分馆参赞兼领事一人，翻译、随员各一人，参赞如故；光绪三十二年（1906）定参赞及各员额如前。赵尔巽：《清史稿》，第1873页。光绪三年（1877），清政府对派驻外使臣作了变动。过去，墨、秘等国以驻美使臣兼任，日（西班牙）、葡等国以驻法使臣兼任。由于墨、秘交涉日多，需派专使，而古巴一国距美国仅一日海程，仍应由驻美使臣兼任。日国东北与法接壤，西与葡邻，法、葡则有海程之隔，今拟日、葡两国共派驻使一人，并在日京设立使馆。 刘锦藻：《清朝续文献通考》，第5651页。
光绪二十三年（1897），古巴脱离西班牙宣告自治，中国改派公使到古巴。在这种情况下，总署咨询当时驻美公使伍廷芳。伍氏认为，“古巴岛内华民流寓甚繁，近年较前稍少，犹有数万人前因此岛隶属日国，而地与美邻，故以驻美使臣兼使，日国原取其便于保护中国，总领事系领日国准照，今古巴既为自主情形，与昔回殊，所有立约派使各节，似应次第举行”。古巴自治后，古巴外部通知中国，“中国原设之总领事，即应停止，因念睦谊暂允办事，该处侨氓甚众，交涉事繁，自应请派使臣前往立约通好，方足以资保护，按之各国通例亦正相同”。根据这种变化，总署决定，“拟请简派驻美使臣，兼充出使古巴国大臣，与该国妥立新约，并照日国、秘国之例，以总领事即兼参赞，常川驻扎，遇事禀商使臣核办”［清］ 朱寿朋：《东华续录》（光绪朝），第4625页。，该决定最后得旨允行。当时出使英国的四品京堂张德彝，被派往古巴兼充古巴公使，与古巴妥立新约。 黄鸿寿：《清史纪事本末》，民国三年（1914）石印本，第285页。
光绪二十八年（1902），清政府又改驻法公使兼使西班牙，驻美公使兼使古巴。 赵尔巽：《清史稿》，第1874页。西班牙、葡萄牙、古巴、墨西哥、秘鲁五国皆由兼使办理，设立分馆。每馆拟设二等参赞一人代办使事，二等通译一人，二等书记一人，如设有领事副领事者，即由部酌派通译书记。兼理不足，由部临时酌添商务委员，各使馆专派一人，稽查外国商务及金银市价，随时禀报本部农、工、商部。医官由本部咨取各医学堂毕业生，酌量派往，或由使臣自选带往供事，由使臣向本部咨取派往以上二项三年期满，准由使臣酌保外官，不得保本部及使馆各官。 刘锦藻：《清朝续文献通考》，第2263页。
随着中外关系发展的频繁，随着华人居住海外人数的增多，清政府保护海外华人的意识增强，于是，对华工的政策有所松动。光绪十九年（1893），总署奏《豁除华人流寓外洋不准回籍旧禁折》，指出中国在海外主要地领事官，以保护华人；“火轮舟车”交通发达，使“瀛环诸国近若户庭”；加上，中国人口众多，不少华人外出打工，以扩生计；商人外出从商以扩大财源等等。中国“海禁早弛，风气大开，一视同仁，无间遐迩”。 颜世清：《约章成案汇览》，第1248页。随着外出华人越来越多，就应该豁除华人流寓外洋不准回籍旧禁，让华民能自由出入。
早期古巴华人史是充满辛酸和悲惨的血泪史，以西班牙为首的西方殖民者，视华人为奴隶，被拐卖到古巴的华人，不仅担负沉重的劳动，无吃无穿，更重要的是没有人身自由，在庄园主的不人道的虐待下，一个健全的中国人到了古巴后，不是客死异乡，就是成为满身残废的人，连基本的人权都没有。清政府对海外华人的漠视，致使华人失去祖国的保护，最终演变为历史的悲剧。但随着海外华人日益增多，他们纷纷向祖国提出援助，清政府逐渐意识到保护海外华人的重要。陈兰彬调查团的派出，是政府关注海外华人的重要举措，陈兰彬一行怀着对同胞的深厚感情，深入调查，掌握了重要的数据，使清政府在外交谈判中处在有利的地位。在此基础上，清政府成功地与西班牙签订了《古巴华工条款》，接着，驻西班牙公使陈兰彬又成功地在古巴建立总领事馆，有效地保护旅居古巴的华侨。
古巴华工案是海外华工史上的一个重大事件，它标志着清政府的海外华工政策的转变，从对海外华人的漠视到关注，从毫无保护措施到设领使馆对海外华人加以保护。这标志着中国的使臣制度也由被动转变为主动。在与西班牙交涉有关保护古巴华侨的整个过程中，陈兰彬功不可没。他出色完成了维护美洲华侨权益和保护侨民的任务，并开辟了中国与美洲的外交事务，即使在当今的中国对外侨务工作中，陈兰彬的外事经验仍然起到了借鉴作用。
光绪元年（1875）底，清政府任命陈兰彬为驻美国、西班牙和秘鲁公使。光绪四年（1878），中国驻美使馆在美国首都华盛顿正式设立。这是中美外交史上新的一页，两国开始对等互派使节驻扎在对方的首都，清政府第一次能够通过驻美公使与美国政府直接打交道。中国向海外派遣常驻使节，体现了清政府与西方外交关系从传统向近代外交转变，中国逐渐接受了西方外交制度和国际关系原则。