1873年（同治十二年），邓世昌和其他同学一起登上“建威”练船，开始了海上远航。这次航习，先后到达厦门、香港、新加坡、槟榔屿，历时四个月。去时由教员躬督驾驶，各学员逐段眷注航海日记，测量太阳和星座的位置，练习操纵各种仪器。返航时学员们轮流驾驶，教师将航海日记仔细勘对。经过二年舰课实习后毕业。

邓世昌在船政学堂攻读五年，自始至终，奋发学习，自强不息，各门功课考核皆列优等。“凡风涛、沙线、天文、地理、测量、电算、行阵诸法，暨中外交涉例文，靡不研究精通。”尤其是在随“建威”练船到南洋的实习中，表现出实际驾驶、管理舰船很高的素质和技能，深得外教的好评。加之年龄在同学中偏大，比较稳重和老练。正因如此，沈葆桢很看重他，称赞他是船政学堂中“最伶俐的青年”之一。

同治十三年（1874年）2月，被船政大臣沈葆桢奖以五品军功，任命为“琛航”运输船大副。船政学堂培养的军官开始指挥军舰，这是中国军事教育史上的一件大事，它开辟了院校教育的先河。

光绪元年（1875年），正值日本侵略军窥台湾、澎湖、基隆诸隘时，任“海东云”炮舰管带，巡守海口，获升千总。

光绪三年（1877年）2月，代理“扬武”巡洋舰大副。3月，福州船政局首次派学生去英国和法国留学，根据邓世昌的全面素质和表现，完全可以选入出洋留学之列，只是因为带船人才紧缺，才让他在国内风涛海浪中锤炼。

光绪四年（1878年），因“海东云”吨位较小，火力较弱，2月，沈葆桢调邓世昌任装备五尊前后膛炮的“振威”炮舰管带，并代理“扬武”快船管驾，奉命扼守澎湖、基隆等要塞。后获荐保守备，加都司衔。他在执行守备任务时坚决果断，用兵有方，抑制了日本侵略军的嚣张气焰。

光绪六年（1880年）年初，任“飞霆”蚊炮船管带。李鸿章为兴办北洋海军，派马建忠去考察、招收水师人才。马建忠奉命前往福建，听到了各方面对邓世昌的赞誉，并到邓世昌所带的“飞霆”蚊炮船察看，亲眼见到了兵船管理的井然有序，士卒训练有素，纪律严明，还多次与邓世昌交谈，对此马建忠给予很高评价。马建忠经考察后，向李鸿章汇报，并推荐邓世昌，说他“熟悉管驾事宜，为水师中不易得之才”。李鸿章也是识才之辈，同年夏天，将邓世昌调至北洋海军，任“镇南”蚊炮船管带。七月，“镇东”、“镇西”、“镇南”、“镇北”四舰巡弋渤海、黄海，“镇南”舰途触礁，邓世昌沉着指挥，旋即出险，但后因此事故而被撤职；同年底，北洋水师在英国定购的“超勇”、“扬威”两艘巡洋舰完工，丁汝昌水师官兵200余人赴英国接舰，邓世昌随往。

光绪七年（1881年），邓世昌利用各种机会游历英国的着名工业城市，看到了机器大生产的宏伟壮观场面；他游历了英国海军的主要基地、港口，看到了一艘艘各种巨型战舰，领略了世界上最强大的海军是什么模样；他学习研究了英国皇家海军的规章制度和练兵之法，看到了北洋舰队在训练和管理上的巨大差距；他学习研究了英国海军的发展历史，尤其是仔细寻找称霸海洋一个多世纪的秘密。他到了格林尼治，参观了英国皇家海军学院。他还专程去过伦敦的特拉法尔加广场，瞻仰了海军名将纳尔逊的雕塑像。他认真考察西方海军情况，悉心学习外国先进的军事技术和经验，将这些军事装备和训练方法细心地加以研究。同年8月17日，“超勇”“扬威”从英国纽卡斯尔港起航，林泰曾操纵“超勇”舰，邓世昌操纵“扬威”舰。“超勇”“扬威”两舰回国途中经历了惊险曲折。先是在地中海两舰失散，“扬威”因缺煤而在海上漂流了两昼夜，“超勇”获讯后去寻找接济。过苏伊士运河时，“超勇”的螺旋桨又触礁碰坏，经修理才继续航行。至10月15日，两舰终于到达香港，历时61天。这是中国海军首次驾驶军舰航行北大西洋——地中海——苏伊士运河——印度洋——西太平洋，经过的沿途各国，始知中国也有海军，均鸣礼炮致敬，这就大大扩大了中国的国际影响。之后，驶入江南制造总局，进行坞修。在上海经过整修后，“超勇”“扬威”于11月22日驶抵天津大沽口。邓世昌因驾舰有功被清廷授予“勃勇巴图鲁”勇名，赏戴花翎，以都司补用，并被任命为“扬威”舰管带。此次出洋，他不仅扩大了眼界，由于潜心钻研，增加了学识，“益详练海战术”。

光绪八年（1882年）夏，朝鲜国内乱，正值李鸿章母亲病故，回合肥奔丧、丁忧，署直隶总督张树声，奏调浙江提督吴长庆率师东渡，命邓世昌以兵舰运送之。邓世昌驾“扬威”舰鼓轮疾驶，径赴朝鲜仁川海口，较日本兵船先到一日。比日舰载兵而来，我军已自仁川整队，径入朝鲜国都城办理竣事。日兵后至，争门不得入而罢。邓世昌率舰援朝，挫败日本侵朝计划，补升游击，赏给“勃勇巴图鲁”勇号。

光绪十三年（1887年）春，李鸿章奏派邓世昌率队赴英、德两国接收清政府向英、德订造的“致远舰”“靖远舰”“经远舰”“来远舰”四艘巡洋舰。已是第二次出国接舰带船的邓世昌认为，接舰实际上是不可多得的最好的远航训练，所以在接舰回国途中，积极组织海军将士认真进行海上训练。邓世昌在归途中因劳累过度，发了寒热。但他对自己要求很严格，作为管带，不论在何种情况下，都要对全舰的安全负全部责任，要坚守自己的岗位。于是，他撑着虚弱的身体，一步步艰难地走上驾驶台，“扶病监视行船”。不仅如此，他还带领全舰官兵在沿途进行不间断的各种操练，“终日变阵必数次”。操练的内容和科目，完全是实战可能发生的，符合战斗的需要，并且要求正规化：“时或操火险，时或操水险，时或作备攻状，时或作攻敌计，皆悬旗传令。”在邓世昌以身作则的激励下，舰上将士“莫不踊跃奋发，无错杂张皇状”。同年七月，北洋海军在英、德两国订购的巡洋舰“致远”“靖远”和装甲舰“经远”“来远”竣工。邓世昌以营务处副将衔参将兼“致远”号管带身份，参加接带。途中屡经风涛，其他各舰水手病故甚多，惟“致远”舰因邓世昌措施得当，关怀士卒，无死亡者。

光绪十四年（1888年）春，抵大沽。七月，邓率舰从丁汝昌镇压台湾吕家望起义。返回后，以总兵记名简放，加提督衔。八月，北洋舰队正式成军，分左、右、中、后四军，邓世昌授中军中营副将，仍充“致远”管带。同年底回国。因接舰有功，升副将，获加总兵衔，兼任“致远”舰管带。邓世昌与此舰相终始。同年，台湾后山生番，时出滋扰，官军往剿失利。福建提督孙开华统军查办，李鸿章电檄邓世昌，随同北洋提督丁汝昌前往台湾助剿。世昌逐驾“致远”舰赴台湾埤（pi）南一带。惟时陆军苦战累月，虽迭有擒斩，终有山深篝（gou）密，难以深入。及世昌驾舰驶至于附海之处，发炮轰攻，乃得水陆并进，痛加剿洗，折毁碉寨，将吕家望、大庄等番社老巢攻克，由是生番悉平。奉旨着以总兵记名简放，并加提督衔。邓世昌17年后“第二次”回广州家乡探亲，这次未能见到他的父亲，因为老人家已在几年前去世了。当时，他接到丧报，但军务在身，不能回家奔丧。这次回到家中，他哭昏在灵前，醒后挥泪写祭文，将未能见父亲一面视为“终身大戚”。

1889年（光绪十五年）2月20日，李鸿章奏北洋海军新设中军中营副将，请以邓世昌借补，任“致远”舰管带。

1891年（光绪十七年）李鸿章来威海检阅北洋海军，这是《北洋海军章程》制定后的首次大检阅。邓世昌平时训练部队，绝对不允许搞花架子。敌舰的距离须临机测定，且在敌我双方高速运动中。以邓世昌训练得力，奏准赏获“葛尔萨巴图鲁”勇号，并赐给三代一品封典。

1892年（光绪十八年），邓世昌“第三次”，也是最后一次回广州家乡探亲。

邓世昌殉国牺牲后举国震动，光绪帝垂泪撰联“此日漫挥天下泪，有公足壮海军威”，并赐予邓世昌“壮节公”谥号，追封“太子少保”，入祀京师昭忠祠，御笔亲撰祭文、碑文各一篇。李鸿章在《奏请优恤大东沟海军阵亡各员折》中为其表功，说：“……而邓世昌、刘步蟾等之功亦不可没者也”。清廷还赐给邓母一块用1.5公斤黄金制成的“教子有方”大匾，拨给邓家白银10万两以示抚恤。邓家用此款在原籍广东番禺为邓世昌修了衣冠冢，建起邓氏宗祠。威海卫百姓感其忠烈，也于1899年在成山上为邓世昌塑像建祠，以志永久敬仰。