十九世纪五十至六十年代，中国正处在风起云涌社会大动荡的时刻，清王朝为了自救，令大臣曾国藩和李鸿章在他们发起的洋务运动中，创办军工厂，制造兵船和军火。1862年（同治元年），李鸿章率领他的淮军到达上海后，便派江海关道丁日昌、总兵韩殿甲分别在上海开设两个洋炮局，制造新式枪炮。为了扩大军火生产，三年后，李鸿章又责成丁日昌花六万两白银在上海虹口买下了由美国人佛尔士（T.J.Falls）办的一所中型机器制造厂——旗记铁厂，并与旧有的两个洋炮局合在一起，定名为“江南制造总局”。
到1867年（同治六年）夏，江南制造总局迁到了当时上海县城南面的高昌庙地区，即今江南造船厂厂址（局门路）。
迁厂后，因为地方辽阔，厂规模迅速得到扩展，在制造局下面设立了一大批与制造军火相关联的工厂和单位，其中有汽炉厂、机器厂、洋枪厂、熟铁厂、铸铜铁厂、木工厂、火箭厂、轮船厂、工程处、船坞、码头、库栈等，总共占地面积70余亩。隔了两年，又增建了炮厂和一个新的枪厂。到1874年（同治十三年），江南制造局更在龙华附近设立了江南制造分局，建立了火药厂和枪子厂等。到1881年（光绪七年）和1891年（光绪十七年），局内还先后建立了水雷厂和炼钢厂。
为了通过翻译以引进国外的科学技术知识和培养本国技术人才，清政府又决定将当时设在上海县城中的同文馆移至局中，改名为“广方言馆”；此外，还设置了翻译馆和工艺学堂。至十九世纪九十年代，江南制造局已扩展成为一个拥有十几个工厂、3500多工人、占地面积近700亩的近代中国最大的军用工业基地。
1868年（同治七年）8月，江南制造局制造的第一艘机器轮船下水，这是中国自行建造的第一艘新式轮船，具有392匹马力，载重600吨，先由曾国藩命名为“恬吉”，后改名为“惠吉”。接着，江南制造局又陆续建造了“操江”“测海”“威靖”“海安”“驭远”“金瓯”“保安”七艘较大的轮船。其中最大的是“海安”轮和“驭远”轮，载重都达2800吨。“驭远”轮下水典礼盛况空前，据当时《申报》记述：“阖城官绅以及仕女往观者不下万人云。”英文《北华捷报》在报道“海安”轮诞生时亦称：“全部制造过程都是中国工人动手，技艺不下于任何欧洲工厂的工人。”
1894年（光绪二十年）中日甲午战争以后，清政府面临财政危机，当时的两江总督周馥奏请将江南制造局的船坞从局中划分出来，采取商业化经营方针，对外进行营业，主要是修造中外兵、商轮船。到1905年5月，局、坞正式分家。船坞部分定名为“江南船坞”，由海军提督叶祖圭任督办，成为一家专门从事船舶修造的大型企业。
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