清同治二年（1863年），陳蘭彬回京受命清理積案，昭雪不少冤案。後又因黃河泛濫成災，奉命大名府賑濟，營救大批災民。並親自到黃河兩岸考察，研究治河要訣，寫成《治河芻言》8卷，提出根治黃河的積極主張。
清政府為培養軍事人才，學習外國技術，決定於清同治十壹年（1872年）開始陸續選派幼童4批***120人赴美學習，是年八月十壹日，任陳蘭彬為監督、容宏為副監督，率領第壹批學童30人赴美留學，這是近代中國第壹批留美學生。不少學生勤奮學習，幾年後就讀完小學、中學而入大學。鍛煉成才的如詹天佑。伍廷芳、唐紹儀、梁敦彥等人，如詹天佑學成歸來後,對我國鐵路事業作出了重大貢獻。
陳蘭彬在美期間，被委古巴專使，往古巴調查了解古巴華僑受奴役、迫害、買賣、鞭答、生活無著等情況，向清政府提出詳細調查報告。次年與古巴殖民者西班牙當局交涉談判，結果簽訂了改善華工待遇的《古巴華工條款》，解決華工不少痛苦、人身自由和合法權益問題。
清光緒四年（1878年〕，清廷任命陳蘭彬為駐美國、西班牙、秘魯三國公使。在任期間，繼續深入了解僑工情況，關懷僑胞工作生活，多次向僑居國交涉、抗議，以保證華僑利益，深受華僑愛戴。光緒七年奉詔回國。
陳蘭彬歷任太常寺正卿、宗人府丞，都察院左副都禦史、資政大夫，總理各國事務大臣兼兵部右侍郎、禮部左侍郎，還任駐美國、西班牙、秘魯公使等職。
晚年告老還鄉，主講高文書院，先後纂修《高州府誌》24卷。《吳川縣誌》10卷、《吳川風俗誌》1卷、《石城縣誌》10卷;還著有《毛詩劄記》、《使美記略》、《使美百詠》。《治河芻言》、《泛搓詩草》、《重次千字文》等詩文集。
清光緒二十年（1895年，十二月十四日，陳蘭彬在家逝世，終年79歲。