李鸿章马不停蹄，还未到达京师之时，又收到朝廷谕旨：
八月初三日奉上谕，命直隶总督曾国藩为两江总督，湖广总督李鸿章调补直隶总督，所遗湖广总督着李瀚章实授。望李鸿章克日赴任，并会同曾国藩妥善办理天津教案，具奏。
盛宣怀、杨宗濂、周馥看后，同向李鸿章贺喜道：“贺喜中堂，荣升直隶总督，此职可是天下众督抚大臣的领袖，众人所仰，可见皇上、太后对中堂大人的器重。”之后闻讯前来的官员络绎不绝。众人皆兴高采烈，李鸿章心里却暗暗为曾国藩的调任心生疑惑。
在接到上谕进京请训后，李鸿章按原计划命郭松林、周盛传两军驻防京津道防务，自己率幕僚进入天津，住进临时行馆中。一切安排停当，李鸿章即前往总督府拜谒曾国藩，此时的曾国藩拖着病重的身体，叹息崇厚处置不当，令自己踏入火坑，进退维谷，也欣慰于李鸿章接手教案事务，令自己能够脱身：“将来必定有人会说‘曾涤生究竟不如门生’，我心里听了也高兴，毕竟你是我推荐的呀！”
曾国藩向李鸿章详细讲述了教案的来龙去脉，并鼓励李鸿章放手去做，不要拘泥于自己以前的处理方式。李鸿章早已获悉法国国内最近正忙于普法战争，无暇顾及东方事务，于是就把自己的处理意见跟老师讲了：“对内让步，对外寸步不让。”
曾国藩在气愤于法国公使奸诈的同时，连连称赞李鸿章的办事能力。
回到行馆时，天津众士绅已在厅外等候，李鸿章向激愤的民众说明了自己严惩凶犯，宽赦无辜百姓，对洋人绝不退让的决心，安抚了士绅情绪。
下一步就是该如何对付洋人了。李鸿章打算先瓦解法国临时拼凑起来的四国联盟，立即和俄、英领事谈判，告知法国战败的局势，让他们迅速撤走大沽口外的军舰，同时对被打伤的俄国商人进行赔偿，对被焚毁的英美教堂进行修复。
与法国谈判时，法国自知已经没了谈判的筹码，于是接受了相关的安抚条件。次年9月25日，继1870年处理“天津教案”第一批和第二批人犯被正法、军流之后，清政府又将所谓正犯16人处死。赴法国道歉的崇厚于一个月后从巴黎返抵上海，“天津教案”也就这样以没有硝烟的方式结束了。
李鸿章后来回忆道，这是他几十年外交生涯中最痛快的一次外交经历，既长了国人的志气，又灭了洋人的威风，还得到朝廷上下的一片赞誉，这也从此树立了他不仅能带兵打仗，还能办外交的好形象。
几十年的民族怨恨和宗教偏见，官府和教方未能及时疏导民情，加上丰大业的鲁莽，最终酿成了这样一场震惊中外的教案。但它却改变了曾国藩和李鸿章师生的命运，李鸿章自此达到他人生功名事业的顶峰，高居于直隶总督这个天下督抚领袖的位置上。1870年11月12日，清廷又裁撤三口通商大臣，规定所有洋务海防事宜均由直隶总督经管，直隶总督移驻天津，以三口通商大臣衙署为行馆。李鸿章手握重兵，集直隶总督、北洋大臣等重要职务于一身。
在处理“天津教案”过程中，盛宣怀就在李鸿章左右，初步显示了“颖悟洞澈，好深湛之思”的个性和才干。他代表李鸿章接待天津民众，凡有所建议，有所控诉，都能得体应对并按李鸿章的指示处理，当晚向李鸿章禀报。数天下来，李鸿章颇为满意。在瓦解英、美、法、俄四国联合中的俄英势力时，盛宣怀更是提出了建设性的意见：他认为应当先召见英国领事，因为英国对法国形势更为清楚，而俄国并不一定知道法国情势，待英国退出，俄国也自然相信法国形势不妙，不再参与。李鸿章让盛宣怀协助他处理教案，一则是他头脑灵活，善于应变，谈吐从容大方；二则是盛宣怀初入幕中，尚无专职，可任凭调度，在调度中也可以考察他的才情。
