清同治二年(1863)，陳蘭彬回京，奉命清理積案，清理了不少冤案。後來由於黃河泛濫，他奉命賑濟大明府，救助大批災民。並親自到黃河兩岸考察研究治河要點，撰寫了8卷本《談治河》，提出了根治黃河的積極主張。
為了培養軍事人才，學習外國技術，清政府於清同治十壹年(1872)決定派遣四批***120幼童赴美留學。2008年8月11日，陳蘭彬任督學，洪榕任副督學，帶領首批30名子女赴美留學，這是近代中國第壹批赴美留學的學生。許多學生努力學習，幾年後，他們完成小學和中學，進入大學。比如詹天佑。吳、唐、梁敦彥等人，如詹天佑等，回國後為中國鐵路事業作出了巨大貢獻。
在美期間，陳蘭彬被任命為古巴特使，調查了解古巴華僑被奴役、被迫害、被買賣、被鞭打、窮困潦倒的情況，並向清政府提交了詳細的調查報告。次年，他與古巴殖民者的西班牙當局談判，結果簽訂了《古巴華工條款》，改善華工待遇，解決了華工的苦難、人身自由、合法權益等諸多問題。
光緒四年(1878)，清廷任命陳蘭彬為駐美國、西班牙、秘魯公使。他在任期間，不斷了解海外華工的情況，關心他們的工作和生活，多次向所在國提出交涉和抗議，確保他們的利益，深受海外僑胞的愛戴。光緒七年聖旨回國。
陳蘭彬歷任太常殿官、宗仁府官、都察院左副任顧問兼資政、總理國務大臣兼右兵部侍郎、禮部左侍郎，還擔任過駐美國、西班牙、秘魯大使。
晚年回國，在高雯書院講學，編纂《高州縣誌》二十四卷。武川縣記錄10，武川海關記錄1，石城縣記錄10；著有《毛詩詞劄記》、《作美述略》、《作美百詠》等。詩集和散文集，如《治河漫談》、《潘厝曹氏》、《崇錢驥文子》。
光緒二十年(1895)，陳蘭彬於十二月十四日在家中逝世，享年七十九歲。