清康熙五十四年（1715年）清政府设旅顺水师营，开始出海巡哨。自此，盛京边防海防日益为清政府所重视。盛京地区沿海巡逻由旅顺水师营担任，每年三月出哨，九月返回。道光二十四年（1844年），为适应加强边海防的需要，辽南军事行政中心从熊岳城迁至金州。同年7月，清政府令盛京、直隶加强海防边防，然其时金州沿海驻防官兵仅400名。
清咸丰、同治年间，驻防东北的八旗兵陆续南调，入关参加镇压太平军和捻军作战，致使防务空虚。沙俄趁机鲸吞黑龙江以北乌苏里江以东一百余万平方公里的中国领土，其侵略魔爪继续南伸；日本对东北地区觊觎已久，英法等国军舰、商船屡犯盛京沿海，东北边疆危机日重。同时，辽西地区爆发的反洋教斗争、饥民大起义和辽东地区爆发的伐木工人、农民、渔民、猎户联合起义，此起彼伏，冲击着清政府在东北的统治。
清末，整个盛京将军辖境危机四伏，情势迫使清政府加快了整饬军备，增编练军，从边海防入手加紧东北边疆的国防建设。
一、练军戍边
清初入关之际，即设盛京总管（后定名盛京将军），统领满洲、蒙古、汉军八旗兵镇守留都———盛京。盛京地区八旗驻军，前期注重训练，尚称劲旅；后期因承平日久，官奢兵骄，渐失崇武善战传统。而盛京地区为“龙兴重地”，加之辽东半岛位处东北海防前哨，帝国主义国家争相入侵等因素，其战略地位日渐凸显。同治年间，清政府总结吸取镇压太平天国农民起义军时八旗兵、绿营兵一触即溃，不得不依赖湘勇、淮勇作战的经验教训，决定对旗、绿二军进行改造，按湘、淮军制选练新军即练军，以提升清军战斗力。
同治十三年（1874年）盛京始建练军。同年选编练军马队2000人，另在八旗兵和苏拉中挑选精壮丁1000人为余兵，会同练军驻防。
光绪元年（1875年）二月，崇实代理盛京将军，奏调直隶练军将领左宝贵、王佐臣随同到任，统带新编练军。光绪二年，清政府决定每年拨专款白银70万两，用作东北练兵之费。这与乾隆年间驻防盛京八旗军岁费5万余两相比，数额大幅增加。
光绪六年（1880年），伊犁问题引起中俄关系紧张，清政府命李鸿章等筹防奉天海口。同年七月初一日（8月6日），盛京练军正式编成奉字军，内有马队5营、步队1营。此后数年，清政府陆续从关内调兵驻守盛京边防。光绪八年，四川提督宋庆率所部毅军9营1哨进驻旅顺。光绪十年六月，吴长庆率领所部庆军3营进驻金州。光绪十一年（1885年）夏，提督刘盛休率所部铭军马步12营，进驻大连湾。
光绪十一年十月，清政府命穆图善为钦差大臣，会同东三省将军共议东北边防事宜，整顿练军，筹备火器，核定军饷。决定：①严加挑选，汰弱留强，每省以5000人数，在精练一年后撤半归农，再拣调2500人以补之，次年再撤半补半，以三年计之，可成练军1万人。②派客军雷正绾部马步9营移扎凤凰边门等处，改变了原东边道只有2营不堪大敌的状况。③各城副都统以下均归东三省练兵大臣节制。④改变从前坼堠之设多在中路、北路的状况，开始更多地顾及东部及南部。⑤改变奉省向来只重视马队的兵种结构，而以步队为主，步队兵员占4／5，马步相辅相行；当年，清政府决定每年拨银370万两作为东三省练军之费。⑥东三省练兵事宜随之与同年建立、亦兼与主管海防的海军衙门、总理各国事务衙门会商，努力使陆军与水师互为犄角。⑦各省练军未成以前，应办事宜及本省之饷应以煮盐、开矿、屯田等办法解决。盛京新编练军的军制仿效淮军，实行统领、管带等军官制。练军装备抛弃了弓箭长矛为主的冷兵器，七响洋马枪、六轮手枪、后镗枪、西式炮械等陆续成为练军的主要装备。练军操法也开始使用新法和“常法操练”，不再沿袭八旗军的春秋两操演习战阵及冬季围猎的旧习。
光绪十五年（1889年），盛京将军进一步整顿三省练军，又分别编成“盛字营”、“吉字营”、“齐字营”，分驻三省省城；还先后在各城添练骑营、步队，共约1万人。另外，由关内调驻盛京的毅军分驻于锦州、营口、金州等地，连同盛京练军总数已达9万人。
光绪二十年六月二十三日（1894年7月25日），甲午战争爆发。此时，旅顺、大连地区共驻清军30营，约14000人。其中张光前部4营驻西炮台，黄任林部4营驻东炮台，宋庆部9营驻田庄台等地。八月初九日（9月8日），刘盛休率铭军4000人乘船赴大东沟。八月
十五日，赵怀业率所募怀字军6个营接防大连湾。同月三十日，姜桂题率所募桂字军4营、程久和率所募和字军3营充实旅顺防务；清廷又命卫汝成率所募成字军6营并所部马队2营，徐邦道率所部拱卫军3营、马队2营、炮队1营至旅顺协守。九月，宋庆率毅军5营自旅顺赴九连城。十月，姜桂题、程久和、卫汝成、徐邦道各部均抵旅顺。
光绪二十年八月十六日（1894年9月15日），日军总攻平壤。奉字练军统领总兵左宝贵率所部主力3000余人在平壤保卫战中英勇杀敌，力战阵亡。统领各军的叶志超率残部溃退回国，日军乘势把战火烧至中国境内。光绪二十年八月二十二日（1894年9月21日），日军以第一军为右翼，从朝鲜义州渡鸭绿江入侵辽东地区；以第二军为左翼，在辽东半岛登陆攻占金州、旅大，入侵辽南地区。经九连城、金州、赛马集与摩天岭、旅顺、海城、牛庄、田庄台诸战，清军一败再败，至光绪二十一年二月十三日（1895年3月9日）日军攻陷田庄台后，自田庄台沿辽河而东，从鞍山站而西，皆为日军所占。光绪二十一年三月二十三日（1895年4月17日），清政府被迫签订《马关条约》，日本割占辽东半岛。由于“三国干涉还辽”，光绪二十三年（1897年）日本强索3000万两白银，撤兵还辽。
甲午之战，练军大败，清政府转而依照西方办法编练新式陆军（简称新军）。光绪三十二年（1906年）四月，清政府下令由张锡銮为奉天巡防营总办，整顿地方旧军。另设督练营兵处，派蒋方震为总参议，负责编练新军。
二、工程强边
两次鸦片战争惨败、东北边疆危机日重，迫使清政府在支付巨额对外赔款的同时，不得不加快东北边防防御体系构建，开始逐步斥资筹建辽东半岛岸防炮台、旅顺军港、东北边防通讯、东北边防运输铁路线等重点边防工程。
1﹒岸防炮台建设工程 咸丰九年（1859年）二月，田庄台筑炮台8座，设防军1000名。
此后，陆续建造的岸防炮台主要布控在以北洋海军重镇旅顺口为中心的旅顺、金州防区和控扼东北两大水运口岸———辽河河口与鸭绿江河口为重点的营口防区、东边道防区。先后建成了旅顺炮台、营口西炮台、大连湾炮台、鸭绿江口右岸九连城炮台等重要岸防要塞。
光绪七年（1881年）五月，旅顺黄金山第一座新式炮台竣工，有保障旅顺军港要隘的作用。光绪十二年（1886年）五月，沿旅顺口东西两岸先后筑起黄金山、横株礁、崂蛎嘴、崂蛎嘴后台、威远、蛮子营、馒头山、城头山、老虎尾共9座炮台，共设新式大炮48门，射程均在6公里以外。
光绪十四年（1888年）四月，大连开始修筑炮台。光绪十五年七月，提督宋庆在旅顺后路建成椅子山、案子山、测望台、松树山、二龙山、大坡山等炮台。光绪十九年（1893年）十月，大连湾沿岸黄山、老龙头、和尚山西、和尚山中、和尚山东和陆路徐家山6座炮台建成，共设新式大炮24门。同时设水雷营，并派4000余陆军驻扎大连湾（当时称柳树屯）。大连成为旅顺口外的另一个重要岸防要塞。光绪二十年十月下旬，徐邦道部在金州城东大黑石麓的台山、狗子囤修筑2座炮垒，以扼金州陆路。
从光绪八年（1882年）起到光绪十四年（1888年），营口西炮台基本建成。西炮台位于辽河入海口左岸，在人工夯筑的台地上设置新式炮12门、旧式炮50余门，面向渤海，构成保卫营口和辽河的门户。炮台共筑3座，大炮台居中，台基高6米，台面长44米、宽43米；台四周筑矮墙，墙下设暗炮眼8处。大炮台两侧各建小炮台1座，高4．7米，分列大炮台南北。
大炮台、小炮台均筑坡道便于上下。炮台周围以土围约700米；再外有长壕，翼展2000米左右。
截至甲午战争前，鸭绿江口右岸的九连城已修筑了连环堡垒式的炮台，这里既是叆河与鸭绿江的交汇处，又地处明代虎山长城脚下，山、城、水、堡形成较完整的工事群体。第一城址平面近方形，南墙近200余米，现存城址高约4米。九连城可守卫安东县城和鸭绿江口，起到“一镇戍四方”的作用。
2﹒旅顺军港建设工程 光绪六年（1880年）后，旅顺口成为北洋海军两大基地之一。光绪十一年（1885年）旅顺大船坞起建，至光绪十六年九月竣工，共耗银240万两，建成当时在远东地区屈指可数的停泊和修理军舰的近代化大船坞，以及坞外停舰的大石澳；建成丁字形大铁码头、军械修造厂、大仓库和水雷营；建成炮台9座，分设大炮48尊的岸防要塞。前后十余年间，港口疏通，舰坞建成，工程局、鱼雷局、电信局、煤厂、药房、挖泥船等逐渐配套。
3﹒边防通讯建设工程 光绪十年（1884年），清政府为加强边防，提高通讯效率，开始架设由天津——山海关——锦州——大连——旅顺的电报线路。翌年，电报线架至盛京。光绪十一年，电报线又分别从盛京架设至凤凰城和安东及吉林、宁古塔、珲春。光绪十三年又架设至黑河，成为东北边防通讯近代化的基础。同时，凡架设电报线的城市和军队驻地，均建立了电报局（站）。
4﹒边防运输铁路线建设工程 为提高运兵速度，清政府于光绪十七年（1891年）四月决定修筑关东铁路，准备以直隶所辖的林西铁路为出发点，建造干线至吉林；另由盛京建造支线至营口，形成东北边防运输线的骨架。
三、招民实边
清光绪六年（1880年），清政府命李鸿章与盛京将军会筹奉天防务。光绪十一年（1885年），派吴大贗等与沙俄谈判解决边界问题。经过艰苦谈判，沿乌苏里江、图们江250余公里的边界共竖界碑11座，完成了清政府与沙俄勘边立界工作。为了增强边防实力，改变边疆一些地区数十里无人烟的状况，清政府决定逐步废除对东北边疆的封禁政策，转而实行招民试垦和妥筹垦务的政策，大批山东省登州、莱州、青州等地农民应招前往垦荒；朝鲜难民亦可越界领照垦荒。盛京东边门（即凤凰边门至旺清边门）外至浑江东西宽百余公里、南北由东沟至通沟长约500公里的地域，成为招民实边的重点地区。
清政府采取试办屯田、军屯、建立垦荒社等办法，鼓励垦荒。每屯招募30人为屯兵，实行“亦耕且守”，派兵驻边，就地试垦，所种粮菜，暂不归官。清政府规定了不取押荒钱文，并酌量给以工本；明确规定地租每垧660文钱，5年后纳租，其余官钱均不摊派；为垦民代购耕牛，分期还款等政策，使垦民日增，大量荒地得到开发。
清政府在垦民编社的基础上，逐步增设行政建置。从光绪初年起，清政府在盛京东边外实行丈地、升科、编户，绵亘千余里的辽东及鸭绿江右岸地正式开禁，陆续设置兴京（新宾）、凤凰两厅，岫岩州及宽甸、怀仁（桓仁）、通化、安东4县。光绪三年（1877年）又改昌图厅为府，增设奉化、怀德两县。光绪六年又增设康平县。增设行政建制与土地开发成为互为推动的实边措施，使边疆与内地相表里，使膏腴的土地、空旷的边疆人增物充。
随着东边外的开禁，森林采伐、渔猎、采参、采药、开采金矿等各业逐渐兴起，手工业也在较大的村镇发展起来。新城镇有的成为戍边重镇，有的则发展为新兴的县城。长白、临江及辑安、通化、安东等地成为鸭绿江右岸日臻繁荣的边城。
四、水师巡边
光绪初年，清政府谕令加强金州海口防务，首筑黄金山炮台。光绪六年（1880年）十一月，清政府催派德国工兵少校汉纳根到旅顺口负责修筑炮台。同月，清政府决定裁撤旅顺水师营，建北洋海军前敌营务处。光绪七年五月，黄金山第一座新式炮台竣工。九月，北洋大臣李鸿章赴旅顺，筹建船坞、炮台事宜，建水雷、鱼雷营，配备挖泥船。
光绪八年（1882年），清政府决定将北洋3海口（威海、烟台、旅顺）集为一军，设北洋水师提督，天津之“通永”、“登莱”等舰属之。水师分驻旅顺、烟台、大连湾以据天险。旅顺有快炮船、蚊船各2艘，海口布设水雷。后陆续从英国、德国购进兵舰11艘，“定远”、“镇远”舰等成为主力舰，北洋水师成为当时一支装备近代化的舰队。
光绪九年（1883年）十二月，候补道刘含芳首任北洋前敌营务处兼船坞工程总办。光绪十一年旅顺大船坞起建，设北洋海军提督职，丁汝昌任北洋海军提督。从光绪十一年至十六年（1885—1890年），李鸿章受命主持修筑旅顺军港，共耗银240万两，建成岸防炮台9座，分设48尊大炮；建成长137﹒7米、宽41﹒3米、深12﹒7米，用于军舰停泊和修理的大船坞；建成东、南、北三面总长1368﹒7米的大石澳，用于坞外停泊军舰；建成丁字形桥铁码头、军械修造厂、大仓库和水雷营。光绪十六年（1890年）十一月二十七日，李鸿章率员验收船坞后向清政府奏报，称旅顺军港“为北洋紧要门户”，“将见北洋海事规模，足以雄视一切，渤海门户深固不摇”。
光绪十七年（1891年）六月，直隶总督李鸿章、山东巡抚张曜到旅顺检阅海军，并察勘炮台和船坞。北洋海军提督丁汝昌率“定远”、“镇远”号等舰船11艘，广东水师副将余雄友率“广甲”号等3舰，南洋水师统领沈宝昌率“寰泰”等6舰齐集旅顺会操。光绪二十年（1894年）五月，李鸿章检阅北洋海军，并视察大沽、旅顺、大连湾、威海卫诸要隘。
截至甲午战争之前，清政府共耗银2000万余两，修筑旅顺军港、威海卫军港，作为北洋水师的基地。同时，又疏浚海口航道，使北洋水师成为拥有与日本海军实力相当，并拥有大药库、海军学堂和22座水陆炮台等多种设施的近代海军。
光绪二十年八月十三日（1894年9月12日），丁汝昌率北洋水师11艘军舰护送5艘商船进入大连湾。同月十六日，水师护送铭军4000人由海上抵达大东沟。十八日，日本海军在大东沟海面袭击中国北洋舰队，发生中日黄海大海战。双方激战5小时，日海军5舰受重创，死伤600余人。北洋水师3艘被击沉，自毁2舰，受伤5舰，死伤千余人。“致远”舰管带邓世昌、“经远”舰管带林永升等战死。十九日，北洋海军回泊旅顺，存舰7艘，入坞修理。同年九月十六日（10月14日），水师运徐邦道部由塘沽到旅顺。二十日，北洋海军修理好舰船出旅顺，赴威海。
在中日甲午战争中，北洋水师覆灭。至清末，鸭绿江上仅有2艘只配备20名警兵的小汽船巡江，作为江防兵力；营口用于辽河河防的警船仅有1只。在大连、旅顺落入沙俄之手后，清政府在东北的海防已荡然无存。