当时的清廷因缺少外交人才，处境十分狼狈。中国首任全权使节竟然是一个名叫蒲安臣的美国人。清政府让他代表中国政府出使美、英、法、普、俄诸国，进行中国首次近代外交活动。按中国古代的说法，这叫“客卿”。
清廷在对外交往中也深感培养外交人才的必要，这就为容闳派遣留学生的计划提供了前提。
1870年，容闳在协助曾国藩、李鸿章等人处理天津教案时，重提幼童留学教育之事。经曾国藩、李鸿章专折会奏，奏旨允行。容闳在日记中喜不自禁地写道：“予闻此消息，乃喜而开眼如夜鹰，觉此身飘飘然如凌云步虚，忘其为僵卧床第间”，“此乃予之计划，方成为确有之事实，将于中国二千年历史中特开新纪元矣”。
1872年至1875年间，每年30人，4批共120名幼童陆续赴美，陈兰彬、容闳首任正副监督。为使留学事业不致中辍，容闳还请准李鸿章在哈特福德的克林街建立中国留学生事务所。
在今天，赴美留学是一件令人向往的事，但在当时可不是这么回事，当时招生极其困难。绝大多数人将出国留学视为危途，尤其美国离中国遥远，不少人认为那是个非常野蛮且不开化的地方，甚至会把中国人的皮剥下，“安在狗身上”。特别是将十来岁的儿童送出国，一别就是15年，还要签字画押，“生死各安天命”，让一般家长难以接受。所以，容闳使出全身解数，就是招不到这30名幼童。于是他不得不返回老家香山县动员说服乡亲们报名，同时在附近县市活动，结果还是没有招满，最后在香港又招了几名，才凑足30名，于1872年8月11日由上海赴美。以后的三批90名学生，虽然招收时遇到的困难稍小一点儿，但同样艰难。不过，由于容闳的执着，120名幼童如期派到了美国，终于打开了中国官派留学生的大门。这120名幼童多数来自广东等东南沿海地区，这和当时中国的开放格局完全吻合。
幼童们怀着寂寞、凄凉、悲哀但又兴奋、好奇、激动的复杂心情来到了万里以外的新大陆。当他们从美国西部乘火车去东部的时候，幼童们欢呼雀跃、高兴不已；当看到印第安人插着羽毛的奇装异服，成群的野牛在山谷中奔跑时，他们更无法抑制心中的快活。到达东部城市哈特福特后，一系列困难就接踵而来，幼童们兴奋的心情顷刻挥之而去。首先是语言问题。由于没有经过英语训练，无法和美国人交流，而且他们是三五人一组分到了美国友人家里，生活上更摸不着门道。他们的女主人出于爱怜，常常见面就抱起来亲他们的脸颊，让这些幼童个个满脸通红，不知所措。
经过两三年的英语补习，多数幼童可进学校学习了，清朝官吏对他们的管制也相对减少了。在美国的小学、中学，幼童们接受的是一种全新的教育。加上小孩子特有的适应能力，他们很快融入了美国社会。而且，中国人聪明好学、刻苦奋斗的天性，使这批幼童个个学习用功，成绩优良。有的因为用功过度，常常病倒，有三位积劳成疾，客死美国。比起在国内的求学生活，这些幼童的负担要重得多。除了繁重的功课外，他们还要接受中文教育。到了1880年，多数幼童已经中学毕业，个别的如詹天佑等人考入了大学，还有一些进入中专或其他职业学校学习，成材在望。但新的政治危机一天天在增加。
清政府派留美幼童的如意算盘是，在政治和思想上保持封建文化传统的前提下，把美国的先进技术学到手，旧瓶装新酒，换汤不换药。事实证明，这是不可能的。幼童们在美国接受的是西方教育，过的是美国式的生活，特别对于十来岁的孩子来讲，非常容易“美国化”。随着时间的推移，这些幼童不愿穿中式服装，经常是一身美式打扮。不少幼童索性把辫子剪掉，见清廷长官时再弄一根假辫子装上。这让清政府保守派十分担忧：这还了得，这不是忘了祖宗吗？
幼童们从小学到中学，用的都是西方的教材，渐渐地对“四书五经”失去兴趣，对自由、民主、人权之类的东西十分迷恋。与美国女孩子约会的事也时有发生。詹天佑等人还组织了棒球队，在赛场上生龙活虎。容闳是对留学生持开明态度的，但他只是留学生团队的副监督，正职由清廷官僚把持，遇到许多重大问题还是由监督说了算。
1876年，吴子登出任留美幼童监督，容闳的日子就更难过了。吴支持洋务事业，还有一定的英语水平，但思想开放度不高，行为古怪，官僚习气严重，对留学生常持异议。他一上任，就将幼童们召来，严加训斥，引起多数留学生的不满。他尤其对一些幼童信奉基督教不满，下令开除了两名信教者，并勒令二人回国。这两名幼童知道回国后没有好果子吃，就在美国友人的帮助下，转往异地上学。这两人后来还成了很有成就的名人。吴子登还增加幼童们的中文课程，突击进行封建道德礼仪教育，对剪掉辫子者严惩不贷，甚至杖责。一时间搞得留美幼童人心惶惶、怨声载道，最后在幼童们的心里反而激起了一种逆反心理。他们对吴子登的话就是不听，只服从容闳一个人，这更使吴子登怒不可遏，视容闳为仇敌。容吴二人常常吵翻，很少平心静气地去讨论问题。
吴子登还经常向清廷写奏折，讲容闳的坏话，说他放纵幼童，目空一切，不能尽职。清廷对吴子登的话信以为真，让连曾纪泽这样开明的官员都认为留美幼童难以成材。所以当1881年吴子登请求清廷将幼童们全部撤回的时候，他的这一请求迅速得以批准。于是，吴下令，所有幼童从1881年8月21日起，分三批启程回国。
容闳本来要将留学计划开展百年，为中国源源不断地培养人才，没想到过早夭折，也只能一声叹息。
不过，即便如此，这些学成回国的学子们仍是人才济济、群星闪耀。他们中间出现了被人誉为“中国铁路之父”的詹天佑，中国邮电事业的奠基人朱宝奎、黄开甲、周万鹏、唐元湛，中国第一代矿冶工程师吴仰曾、邝荣光、唐国安，中国第一代海军将领容尚谦、蔡廷干、徐振鹏，中国第一代留学生外交官唐绍仪、梁诚、梁敦彦等杰出人物，唐绍仪还出任过中华民国首任总理。