然而最使薛福成担心的，乃是定海的防务。十月中旬，薛福成在实地巡查了定海的防务后，进一步感到这个南北洋的要冲孤悬海外、四面受敌，只要战局一开，就绝难增援。此时，虽有总兵成正邦率领贞字营等已在认真布防，但是仓促之间要设防周密，实在没有妥善的办法。为此，薛福成忧心忡忡，几个月来一直在仔细地筹划对策。还是在海疆戒严后不久，他便听人说起，1846年英军退出舟山后，中、英两国订立过保护舟山的条约。其中第三款是中国不把舟山让与别国，第四款是如有别国攻打舟山，英国必为保护。在这次中法冲突中，英国政府出自保护本国商业的目的，起初准备履行这个条约，后来又因为不愿助华攘法，便宣称在第二次鸦片战争中订立的《天津条约》没有重申这个条约依然有效，因此该条约已经作废。这些议论，使薛福成心头闪过一个办法。他熟悉《国际公法》，感到英国的说法不能完全成立——两国订立了新约，但如果没有声明将前约作废，也不能遽然废止。于是他在翻阅数十年前的外国报纸，查实了条约的原文后，就急忙禀报南、北洋大臣，请他们通知英国公使，要英国遵守旧约，以便利用这个原来侵害中国主权的旧约来“以夷制夷”，遏止法军对定海的进犯。与此同时，他又反复劝谕宁波的英国领事去向英国政府进言，并且由幕僚起草，自己反复删润，写成《英宜遵约保护舟山说》，在译成英文后，将它寄往伦敦各个报馆。文章对英国朝野晓之以理，动之以利，指出，按照《国际公法》，保护舟山条约并未作废，英国若不遵守条约，头号强国的威望会大为降低；同时，定海地处交通要冲，法国占据定海后，香港的贸易必定会衰落，英国的利益也要大受损害。经过这番活动，英国朝野果然舆论哗然，纷纷要求履行旧约。英国驻上海总领事也奉政府之命，与法国驻华公使达成了英国不宣布保护舟山以妨碍法国行动，法国也决不进攻舟山的秘密协议。
在为浙东一隅筹防的同时，薛福成还从战争的全局着眼，为这场民族自卫战争出谋划策。根据获得的情报和中外报刊披露的消息，他发现有些外国船只违反中立法，公然给入侵中国的法国舰队补充煤、米和武器，并发现英国和丹麦在中国开办的大东、大北电报公司为法国收发电报，便捷了法军的军事行动。于是，他就急忙致电总理衙门，请总署照会各国，要它们遵守《国际公法》，不给法舰补给军用物资，特别是要英国和丹麦饬令大东、大北公司，在战争期间不为中国的敌国传递电讯。他还发现，在中国向法国宣战之后，法国公使巴德诺脱借口法国尚未向中国宣战，不仅违背公法，赖在中国不走，而且以上海租界为巢穴，购募汉奸，侦探消息，办运粮食，散布谣言，大搞间谍活动。于是，他又致函总署大臣阎敬铭，提出了应拘捕至少也应驱逐法国公使的建议。他指出，法使留在上海，为害甚巨，中国决不能任其“侦我虚实，制我要害”；又指出，“巴使所居，虽名为法租界，然仍系中国之地。按之公法条约，无两国业既开战，而使臣仍居其地者。即指名擒捕，或限期驱逐，谁曰不宜”。因此，他拟请朝廷马上严密擒拿巴德诺脱，在给予优礼厚遇的同时，不管他如何咆哮，将他软禁于内地。这样，出敌不意地扣押了与法相茹费理等一起力主侵华的凶恶敌人，势必能骤灭敌人的气焰，使我方争得主动。阎敬铭颇为赞赏薛福成的提议，可惜的是，他和其他王公大臣们又畏首畏尾，唯恐妨碍了日后的和谈，因此最后没有实施这条必将使侵略者十分狼狈的好计策。
薛福成在宁、镇地区积极筹防时，越南和我国台湾等地的战斗已更趋激烈。1885年2月14日即农历甲申年除夕，南洋舰队“开济”“南琛”“南瑞”三艘军舰出人意料地退入了镇海口门。原来，“开济”等五舰在统领吴安康的率领下，奉命南下增援台湾。一天前，他们在福建洋面遭遇了七艘法国军舰。怯敌如虎的吴安康等人未放一炮便仓皇北逃。“开济”等三艘巡洋舰一口气逃到了镇海，而速度较慢的“澄庆”“驭远”两艘小军舰则躲进了象山厅的石浦湾。两天后，没等薛福成派去援应的宁波护城兵勇赶到石浦，它们就已放水自沉了。薛福成懂得，如今法国舰队一定在全力搜寻“开济”“南琛”“南瑞”三舰，它们不仅会给镇海招敌，而且在这退路不长的浅口内，它们容易被法舰击沉。因此，他再三劝谏三舰的管驾，乘法舰尚未赶到的机会，赶快驶回江阴。接着两江总督、浙江巡抚等人也一再电令他们赶快回防。可是这些管驾唯恐在洋面上猝遇法舰，所以躲在港内，迟迟不肯返航。到二十八日傍晚，孤拔率领的四艘法舰终于发现了他们的下落。法舰驶入金塘洋面，把炮口对准了镇海口门。
战争已一触即发，薛福成赶紧会同欧阳利见等人采取应急措施。几天前，他们已撤去了口外沙滩、暗礁的灯塔、浮标，此刻，他们下令，除留下一艘旧船暂不沉下以便日后恢复通航外，将仅剩的口门全部沉船堵塞。他们又鉴于“澄庆”等二舰因水兵登岸溃逃而被迫放水自沉的教训，联衔颁发告示，严禁“开济”等兵轮的弁勇登岸，宣布对违令者将立即处以军法。同时薛福成又从战争的全局出发，一再致电南洋大臣、福建将军等人，向他们禀明敌情，并请台湾、福建的中国军队乘机反攻，收复台北的失陷地区，夺回法国舰队赖以补给燃料的基隆煤矿。
当天晚上和三月一日上午，都在紧张的沉寂中度过。到一日下午三时，孤拔派小火轮来探测入口的航道。中国炮台立即开炮轰击。小火轮仓促退走后，一艘黑色的装甲舰就直扑海口的北岸，向招宝山猛烈轰击。其余的三艘法舰也紧随其后，向海口扑来。海口各炮台连同口内的三艘兵舰一齐开火，使冲在最前的敌舰连中五炮，折断头桅，洞穿船腰，狼狈地败退回去。其余的法舰见势不妙，也赶忙向后撤退。
初战获得如此好的战果，是令人振奋的，不过，薛福成没有为胜利所陶醉，而是连夜作好第二天的战斗准备。他联络将领，激励士气，并作了严防法军夜袭，或在小港等处登陆的部署。这些布置，已很为周密，但他的心里总还有点担心：“开济”等三舰上的官兵畏敌如虎，一旦来日战斗加剧，他们很可能又会临阵脱逃，驾船躲进内港。这样，“元凯”“超武”两艘小舰势必跟着逃跑，陆营将士也必定会望风震惊，致使全局瓦解。怎么办呢？他踌躇再三后，终于拿定主意：对这些怕死鬼，必须申明军纪，使他们畏军纪甚于畏敌人。于是他立即发特急电报给巡抚刘秉璋，请他电令前线的将领，持令箭去通知三舰的管驾：如果再后撤一步，就连同前罪严行参奏，并先行就地正法；如能坚守力战，也将专疏褒奖。刘秉璋立刻复电宁波，内容悉如薛福成的建议。电报当夜递到吴安康手里，吴安康捧着电文，面红耳赤，半晌说不出话来，最后才喃喃地答道：“吾三轮誓与此口为存亡，决不内移一步。”这么一来，那些原来随时准备逃跑的军官有进无退，只好下了死守口门的决心。
二日晚上，法军两次派鱼雷艇进袭口门，都被击退。三日早上，又有一艘黑色装甲舰驶到虎蹲山北面，进攻招宝山威远炮台。守备吴杰亲自开炮，第一炮命中敌舰的烟囱，第二炮又击中船桅。桅上的横木啪嗒跌落，正巧压伤了敌舰的指挥官。“南琛”、“南瑞”号兵舰也猛烈射击，接连命中三炮，打穿了敌舰的后梢。敌舰受了重伤，急忙施放黄烟，仓皇地逃了回去。
接连两次挫败后，孤拔还曾派舢板发动偷袭，派小船探测航道，但都被中国军队击沉或击退。至此，孤拔已进退失据，处境十分困难。他想攻入镇海，不仅受阻于坚实的防线，而且无论在当地还是在上海，即使悬赏六万两银子都招募不到领港的好手。他打不进镇海，又碍于英、法的秘密协议，也不能去攻近在咫尺的定海。当他虚声恫吓，扬言要进攻属于舟山的普陀岛时，英国总领事误以为真，认为法国违背协议，立即公开声明：如果法军径去占领，英国愿意代中国进行驱逐。这样，先后集结到镇海口外的六艘法舰，欲进不能，欲退不舍，只能依游山为屏障，滞留在金塘洋面，除了每天远远地向中国阵地打几炮外，已别无他技了。
法舰停止进攻后，薛福成马上安抚百姓，招商贩运粮食，并移开那艘尚未沉下的旧船，让民船仍能出入口门，使商、民的生计不致困顿。这样，当地人民安堵如故。虽然口外炮声隆隆，但是宁波、镇海的街道上依然人群熙攘、市集繁荣，与平日无殊。同时，薛福成又积极设法对敌军发动骚扰和进攻。根据他在镇海劳军时提出的建议，统领钱玉兴于三月二十日率领敢死队，秘密把八门后膛小炮运到前沿，在夜半突然向敌舰开炮，结果击中五炮，杀伤了很多敌军。据说孤拔就在这次夜袭中负伤，不久便伤重而死。薛福成还亲自撰写了文告，号召法舰上被胁裹的中国人杀死法军头目，夺取或破坏这些军舰；劝谕法军将士击毙法酋，驾舰投诚；并招募中外军民用水雷、火筏等物毁沉法舰，成功者将给予重赏，并破格予以擢拔。这么一来，法军十分惊恐，急忙在军舰周围布置竹木、铁网来防备水雷，弄得他们风声鹤唳，日夜不得安宁。
法国舰队在镇海口外一直停泊了45天，直到中法和议告成后才退往外洋。在这场中法战争中，法国陆军在越南、我国台湾等地屡次被中国军队杀得大败，而法国海军起初全歼福建水师、击败南洋水师，气焰甚为嚣张。然而甚嚣尘上的法国舰队却在小小的镇海口屡战不利，损失惨重，遭到了意外的失败。这次胜利，是薛福成和广大爱国官兵尽忠报国、精心筹防所取得的辉煌成果。事定后，薛福成因筹防功得到了浙江巡抚刘秉璋和两江总督曾国荃等人的优保，获得了布政使的加衔。
薛福成对镇海海战的胜利，并不感到满足。他认为浙东的防务实际上还不十分坚固，这次能挫败敌军，尚带有偶然的性质。如今邦国多难，海衅迭起，应该为浙东的防务筹一个“万全之策”，使“全浙门户，永臻稳固”。于是，他在力排众议，坚持要起沉船、拔桩木，疏通镇海口门，以利于开通商务和兴修水利的同时，向巡抚刘秉璋提出了建台添炮的建议，并随即和宁波知府等一起，向商民大力劝募海防捐输。当地商民已经看到薛道台等人确是实心实意为抵御外敌而操劳，因此都极为支持，在不长时间里就捐集了几十万两白银。有了资金，薛福成和杜冠英、吴杰等人一面通过上海洋行购买了七门德国最新式的重炮，一面在镇海口大修国防工事。他们在形势险要、过去设防不严的小港修建了配备重炮的笠山炮台，作为第一道防线；加强了招宝山威远炮台的火力和工事，作为第二道防线；在金鸡山、招宝山后两个夹江相望的石矶上各修一个炮台，作为第三道防线。这样，一旦发生海警，镇海驻军可以节节严防，环伺迭击，使镇海的防务固若金汤。
这项巨大的工程，耗费了薛福成无数心血。