在1872年8月11日陳蘭彬、容閎率領第一批學生梁郭彥、詹天佑等30人啟程赴美。此後每年派遣30人，至1875年，120名留學生派完。首批30名留學生由陳蘭彬任監督，容閎任副監督。這些學生將進入哈佛大學、耶魯大學、哥倫比亞大學、麻省理工學院等美國著名學府。
1875年，120名學童已按原定計劃分批全部到達美國。大體按兩人一組，分散安排寄宿於美國人家中，由留學事務所統一管理並分批教授中文。這批留學生由於年幼出國，可塑性極強，很快適應了環境，比較容易接受西方文化的影響。逐漸有人突破信仰基督教與剪辮子的禁令。陳蘭彬視為嚴重問題，與學生經常發生衝突。
1876年陳蘭彬出任駐美公使，更為守舊的吳子登接任留學生監督。吳子登也是翰林出身，出國前即對曾國藩、丁日昌的洋務事業持反對態度。視“留學外洋為叛經離道”。吳子登一上任便認為留學生已“適異忘本”，不斷向北京政府和李鴻章打小報告。吳子登認為：“此等學生，若更令其久居美國，必致全失其愛國之心，他昌縱能學成回國，非特無益於國家，亦且有害於社會。”（容閎：《西學東漸記》，103～104）所以必須從速遣散留學事務所，撤回留美學生。1881年夏，清朝政府正式決定將留美學生全部撤回。
儘管容閎的留學生計劃垂成而敗，但通過其他渠道斷斷續續出國留學者仍大有人在。1877年初，李鴻章派李鳳苞、日意格等率福州船政學堂學生26名、藝徒9名赴英、法學習駕駛與造船。嚴宗光（嚴復）、方伯謙、薩鎮冰、劉步蟾、林泰曾等即是這比留學生中的佼佼者，馬建忠、陳季同則是以監督隨員身份赴法學習法律。1881年、1883年、1885年，福州船政學堂又陸續派出三批學生共53名分赴英、法、德等國留學，除培養造船、駕駛人才以外，不培養了一批礦冶、測繪海圖、海軍公法、國際公法、開河、鐵路建築、橋樑製造以及英語、法語、拉丁語等方面的人才。
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