巩固海防。刘铭传建议在台湾建立海军，清政府以“已有南北洋海军和经费短绌”为由不予采纳。刘铭传于1884-1885年先后购买南通、北达等几艘小船，供缉捕、运输兼通文报之用，并雇洋匠自造驳船一艘，用以运炮械、安置水雷。在台北建机器厂，自制枪弹，准备继建大机器厂制造炮弹，同时，设立军械所和火药局，他又聘德国技师重建基隆炮台，兴工加固安平、旗后、沪尾、妈宫、西屿、大城北诸炮台，配备强劲大炮，火力增强数倍。在基隆和沪尾设水雷局和水雷营，使水雷与炮台相资为用。此外，他还进行整军、练兵，防军全部改用洋枪，聘请外国教习，加强训练。在台北设总营务处，统辖全台军务。在他的大力整顿下，台湾防务已日见充实。
建设交通。刘铭传是近代中国大倡兴建铁路的第一人。在他推行新政时，制定了以“兴造铁路为网纽、辅之以电线邮政”的方针。1887年7月，台北成立“全台铁路商务总局”，聘英德两国人为工程师，着手修建铁路，前后历时六年完成了基隆至新竹全长106.7公里的铁路，成为中国人自办自建的第一条铁路。1886年台北设电报总局，架设水陆电线，全长700公里，大大改善了岛内外的电讯交通。1888年创立新的邮政制度，在台北设立邮政总局和各地支局，发行邮票。有南通、飞捷两船定期往来于台湾与大陆之间，邮路远至厦门、福州、广州、上海、香港等地。这是我国最早的自办邮政业务、比清政府成立的邮政官局早八年。
兴办新式企业。1887年台湾设立煤务局，采取官督商办方式，投资购买新式机器开采，日可产煤万余斤。但因管理不善，时有亏折，收回官办后仍无起色。刘铭传曾希望与英商合资开采煤矿，清政府以恐别生枝节为由驳斥不准。1886年在沪尾设立官办硫磺厂，用新法熬制获利甚多。1887年设立官办机器锯木厂，为铁路提供枕木。同年又设煤油局生产煤油。在台北设立警察，组织商人成立兴市公司，兴建商店。此外还装设电灯，开凿新式公共水井，购买第一架蒸汽碾路机，并设置了专管市内卫生的机构。
发展商务。1886年台湾设立商务局，先后向英、德购买威利、威定两艘旧轮作为商船。派李彤恩等到新加坡设立招商局（后改为通商局），通过向华侨招募股份购买轮船，设立轮船公司，航行于台湾与大陆各埠，远至新加坡、西贡、吕宋等地。1886年设立樟脑总局，实行专买制度，获利颇多。
抚番与垦荒。刘铭传的抚番政策为恩威并用，剿抚兼施。恩抚不从，方行威剿，威剿之后，仍归恩抚。如有官吏凌虐番民，汉人夺占番地，均予惩处禁止，绝不偏袒。番人劫杀居民，不听晓谕，则威之以兵。1885年首抚北路淡水东南马来番，为其定规约，命其遣子弟至城读书，雉发归化。生番地界，各归各业，不许军民侵占。
从1885年冬至1886年夏，半年之间招抚400余番社，归化7万余人。1887年春夏之间，后山抚218社，番丁5万余人，前山抚260余社，番丁3.8万余人，田园数十万亩。全台大定后，于是广招福建贫民扩垦，使番众与内地人民共处杂居，逐渐改变他们的习俗，同时改进他们的经济情况，使“耕织自精，货财自殖”。1886年5月设全台抚垦总局，以林维源为总办，南、北、东三路分设抚垦局及分局，并在各重要番区如大科莰、东势角、埔里社、苏澳、花莲等处，各立抚垦分局。局中有医生、教耕、教读等人员，开义塾，教番人童子读书。另外在台北特设番学堂，供给他们衣食，教以汉文、算术、官话、台语、起居礼仪，并常让他们与汉人接触以起潜移默化的作用。让他们消除疑忌，不以异类自居。为了抚番，刘铭传“三亲绝域，蒙瘴涉险，不骑而徒。彼其不知暇逸哉，其所志者远也”。这一切都有利于台湾社会的近代化发展。
整理财政。主要是田赋的清理。台湾田赋极其紊乱，在豪绅吏胥的包揽控制下，“强者有田无赋，弱者有赋无田”，“田去粮存”，求免无路。为了清除积弊，增加财政收入，1886年5月，刘铭传奏请实行清赋，由清赋总局进行会查保甲，清丈田亩，历时二年多，完成了清丈工作，田赋大量增加，年收入达67.4万余两，比原额增加49.1万余两。此外，在整顿税收方面也取得了巨大成绩。经过整顿后的茶税年增13万两，盐税增12万两，樟脑、硫磺增30万两，鸦片增40万两，加上其他各项收入，财政总收入从90万两激增至300万两，最高达到450万两。国防、交通诸项建设经费至是始有着落。清赋直接触犯了地主豪绅的利益，一时流言传 布，阻力极大，但刘铭传不为所动。
提倡新式教育。台湾发展需要一大批专门人才，刘铭传深知培养人才的重要性。1887年在台北大稻埕创立西学堂，聘请西人教习讲授英语、法语、数学、理化、测绘、历史、地理等课程，于西学余闲兼课中国经史文字，使内外通贯，培养通晓近代科学、善于对外交涉的人才。经过严格甄选，第一批招收学员64名，所有费用全部由政府供给，年支银1万余两。1890年又设电报学堂，招收西学堂和福建船政学校学生10名，学习电讯专门技术。并于1890年设立番学堂，为原住民培养骨干和通事人才。在刘铭传的积极倡导下，台湾教育进入了新的历史时期。
增设府县。台湾土地面积3.6万平方公里，清初仅设一府三县，不久增为四县，统治所及限于西部沿海平原地带。后以土地日辟，人口倍增，于1875年增设了一府四县，共有两府八县，然仍不能满足实际需要。刘铭传就任台湾巡抚后，按建省规制，以彰化位于全岛中央，平原宽敞，定为省会，设首府曰台湾府，附郭首县曰台湾县；另划嘉义以东、彰化以南、方长约百余里之地为云林县，分新竹西南沿山新垦地带为苗栗县，升卑南厅为台东直隶州。在省会未建以前，以台北接近福州，先以台北为施政中心。于是全台共有三府、一直隶州、十二县、五厅，划疆分守，初具规模，奠定了今日台湾地方行政区划的基础。 刘铭传的改革涉及军事、行政、经济、文化各个领域，范围相当广泛。因为当时台湾正面临着帝国主义侵略的严重威胁，一切措施不得不首先从巩固国防出发，并始终以巩固国防为中心。为了巩固国防，就必须整顿军备，增强防卫能力；开拓土地，以保持岛内秩序的安定；发展交通，便利岛内各地及其与大陆的联络。为了巩固国防，就必须筹措大笔经费，办法之一就是清理田赋，在这方面，刘铭传做出了巨大的成绩；办法之二是倡办实业，发展生产，在这方面他刚开始不久就去职了。而为了巩固国防，发展交通，兴办新式工业，又必须培养大批科技人才和吸收外国先进经验，因而有西学堂和电报学堂的设立和外国技师的聘用。凡此种种，都可以说明，刘铭传的改革虽然发生在大陆洋务运动的后期，在许多做法上也不可避免地会受到大陆洋务运动的影响，但和“重在防内，并无对外意图”的李鸿章之流所搞的洋务运动还是有差别的。刘铭传很注意吸收华侨和民间资本，他所兴办的铁路和煤矿都有商股参加，有些企业办不好就交给民办，这也和官办占压倒地位的某些洋务企业有所不同。他所创办的企业如铁路、邮政、电讯、航运等等，多数都卓有成效，不像大陆官办企业那样积弊重重，亏损日甚。刘铭传的眼光不仅仅以台湾为限，他还希望“以一岛基国之富强”，以台湾“一隅之设施为全国之范”，从这点看，也应该肯定他是晚清洋务运动中一个具有进步倾向的人物。
然而，刘铭传的改革是在当时已经腐烂透顶的清政府支配下进行的。在其推行过程中，他遇到了来自各方面的种种阻力。因此，尽管他很想有所作为，也做出了巨大的成绩，但还是有不少人对他进行掣肘、攻击与诬蔑，迫使他不得不于1891年告病辞官而去。继任的台湾巡抚邵友濂眼光短浅，思想僵化，尽废刘铭传新政，清代所实行的惟一有计划、有成效的改革就此夭折了。1896年，刘铭传在家病逝，清追封太子太保，谥壮肃，准建专祠。