浙江是临海的省份，但因钱塘江有鳖子门天险，海轮不能驶入，所以浙江的门户就在宁波城东约50里的镇海海口。几个月前，浙江提督欧阳利见，统领杨岐珍、钱玉兴，守备吴杰等率领楚、淮勇约一万人，和“元凯”“超武”两艘小兵舰，已在宁、镇地区布防。这些部队由欧阳利见总统，而遥受浙江巡抚刘秉璋的节度。刘秉璋驻在省城杭州，要直接指挥宁、镇前线的军队不无困难。他了解薛福成的才干，便在宁波设立海防营务处，檄令薛福成“综理营务，尽护诸军”，凡是巡抚的号令、方略，前线的战守机宜，全部由营务处传递或处理。对于这个使命，锐于任事的薛福成既兴奋又担忧。过去，作为大臣的幕僚，他惯于运筹帷幄、檄草文稿，如今，他便要身临前敌，亲秉戎机了。
薛福成受任后，于七月十九日赶到镇海，视察前线的防务。他首先登上招宝山巅，迈入巍然耸立的威远炮台。在这里居高临下，纵目远眺，把镇海海口雄壮的形势尽收眼底。如果说宁波是浙江的门户，那么，镇海便是宁波的钥匙。奔腾东来的甬江，在这儿注入东海；镇海口外波涛汹涌，夙称蛟门；镇海口门仅宽六十丈，金鸡、招宝两山南北对峙；口外数里，虎蹲山、游山兀峙于前，险礁、暗沙环伺于侧；此外，每天还有两次潮汐消长的变化。看到如此险要的山川海域，薛福成不禁暗暗赞叹：这儿确实是足资扼守的天然形胜！薛福成继续向东眺望，在那遥接蓝天的大海中，绵亘着一群气势宏伟、跌宕多姿的山峰，就像浙东的屏障。在这著名的舟山群岛之中，最大的岛屿便是中外瞩目的定海。望见定海，薛福成的心情便无法平静。在四十多年前的鸦片战争中，定海曾两度失陷。在英军第二次进攻定海时，葛云飞、郑国鸿、王锡朋三位总兵和五千将士浴血奋战六昼夜，最后宁死不屈，壮烈殉国。“身虽殄兮灵不灭，炯丹心兮穿白日”，薛福成历来敬仰这些为国捐躯的英雄，如今他筹防浙东，可以说是继承了他们的事业，他有决心击溃法国侵略者的入侵，保卫祖国的海疆，使死难的先辈含笑于九泉之下。
巡查了前沿阵地后，薛福成确定了加强防务的计划。他感到，中国没有强大的海军，炮械也远不如法国，要保卫海口，只有靠炮台、陆军、堵口三方面相辅并行。于是，他支持宁波太守宗源翰、试用同知杜冠英等人的计划，通过钉桩、沉船、安放水雷来堵塞镇海海口，以防敌舰侵入。同时为了避免堵口内通路断绝、自受其困的弊端，他与宗、杜等人商定，堵口时留出一条二十丈宽的口门，除非万不得已，方才沉船堵绝。薛福成又认为，法舰远道而来，不谙镇海的沙线、暗礁，使他们无人领港，实为一大要著。于是，他根据朝廷的密旨，一面向中国渔民晓谕当前的形势，一面以一定的酬报雇用镇海的两名外国引水员。后来，他又通过上海道雇用了那儿熟悉甬江水道的外国引水员，使他们保证不给法舰领港。薛福成还看到，几年前越南形势骤然恶化的原因之一，就在于法国传教士唆使土著教民推波助澜、内中策应，而宁波城内也有法国派出的浙江主教赵保禄等数十名天主教教士和学徒，入教的中国百姓也为数甚多。这些人散居各处，难于防备，终为隐患。为此，他通过多次柔中带刚的劝谕，将城内的法国男女全部迁移到甬江北岸的通商地区，并且在这些地方派驻卫兵，既是加以保护，又是暗中予以监视。
在筹防过程中，薛福成很快体察出其中的困难。当时，在浙江以南各省，清廷都特派重臣、宿将，携带巨款、调集大军前去加强防务，在浙东前线，他却以四品道员的身份来负责实际工作。他不仅在经费方面颇形拮据，更棘手的是，地方上的文武官员本来互不统辖，何况如今与他共事的军官中，提督欧阳利见以及两个统领都是品阶较高的将领，同他们相比，薛福成显得官卑权轻。欧阳利见是员经验丰富、筹防认真的老将，不过，他与巡抚刘秉璋颇存芥蒂，并又十分不满让薛福成来综理营务的安排，所以，常常找薛福成的茬。同时，驻军内部楚、淮勇之间的矛盾也根深蒂固，驻守招宝山等炮台的守备吴杰与驻守金鸡山的参将郑鸿章更是冤家对头，后来双方甚至闹到要开火决斗的地步。发现这种情况，薛福成十分焦急。他上书刘秉璋，请他申饬将士务必要一致对敌。他自己更是谨慎小心，顾全大局，在处理任何事情时，都反复同欧阳利见等人商量，尽力搞好文武官员之间的团结，调解军队内部的冲突。后来，他几次说过，他特别以“联上下，化异同”为自己的职责。他的门生也说，“吾师在调和诸将时的曲折和苦心，外人是不尽知道的”。
正当薛福成等人千方百计地加强防务，不让法国军舰闯入镇海口门时，在福州的封疆大吏们却不作充分的战斗准备，坐视法舰一艘接一艘地闯入闽江海口。八月二十三日，法国舰队发动突然袭击，在半小时内击沉了福建水师的七艘兵舰。至此，清廷被迫向法国宣战，中法战争正式开始了。
浙江紧邻福建，马尾败绩后，镇海的上空便战云密布。大战已迫在眉睫，薛福成加快了设防的步伐。为了便捷军报，他建议并迅速完成了将电报线从宁波架到镇海的工程，使前线与杭州、宁波可以瞬息呼应；为了预防法舰悬挂他国旗帜混入口内，他通知英、美等国领事，中立国军舰入口，必须事先通知海关；为了防止法国奸细混入口内，他规定对中外客轮一概进行严密稽查。与此同时，他还和欧阳利见、杜冠英等一起，克服大风大雨、潮涨潮落的困难，加快了打桩、沉船的工作，特别是对前沿的炮台、工事作了进一步的加固和伪装。这样，从海上遥望镇海，只见海口两岸都是绵亘数十里的长墙，在山峦之巅都是营垒、旌旗，无从发现守卫部队的火力点究竟设在什么地方。经过这番周密的布置，镇海的防务便空前地坚固了。
在加强前线防务的同时，薛福成继续消除后方的隐患。此时，在定海还居住着法国教士。他们每天纠集教民在教堂内练习打枪，居心实在难测。这样，当地军民中很自然地出现了法国教堂内伏奸藏炮的流言。这个隐患必须铲除。薛福成便再次谕令定海的教士马上集中到宁波城北，或者迁往上海，可这些教士仍旧千方百计赖着不走。而不久前被迫迁移的法国主教赵保禄，也利用清廷刚刚颁布的有关保护法国守法侨民的上谕，不但向南、北洋大臣，浙江巡抚等人告薛福成的状，而且直接给他写信，气势汹汹地对他进行指责和威吓。对这种虚声恫吓，薛福成嗤之以鼻，在复书中一一予以痛斥。针对不去查验定海教堂是否藏炮，便勒令教士迁移是“有同儿戏”的攻击，他写道：“中国军民的疑虑出自愤怒，不必辨其虚实。而本道也认为此说未必确实，仍旧一意保护，否则早就从严惩处，还会以暂往上海、宁波相劝吗？”针对“各教堂因屡次搬动，不无亏累”的要挟，他冷嘲地写道：“此系法国骤开兵衅所致，该主教似可向法国国家索取赔偿，本道不便过问。”针对“如此妄行不息，定海等处必将自招祸患”的恐吓，他尖锐地揭露说：“彼不过隐示其伎俩，谓可呼召法舰来攻宁、定耳。”他大义凛然地表示：我只知激励兵民，同仇敌忾，久置祸福利害于度外，亦复何所顾虑！接着，他严正警告赵保禄：“你的这种言论，正是表明自己有干预军事的权力，恰恰证实了定海军民的疑虑。要是在军民中传播开来，你和法国教士就要大祸临头了！”写到这里，薛福成又非常策略地给了“主教大人”一个圆转的台阶：“本道亦知赵主教因搬动费事，情急而为此语，不过一笑置之，但在这危疑之际，定海的教士必须迅速迁徙。”读了这封义正词严的复信，赵保禄气慑心服，不得不乖乖地遵守命令。与此同时，在温州发生了焚毁外国教堂的事件，所以赵保禄等人便更加不敢公开捣乱了。