丰岛海战中海军怯敌畏战的情形激起了主战派的极大义愤。翁同龢等人认为“无赏罚奖惩，无以振士气”，坚持要求严惩丁汝昌，认为“不治此人罪，公论未孚”，遂议定丁汝昌“革职带罪自效”。同时，翁同龢、李鸿藻建议朝廷起用宿将，厚集兵力，布告各国，对日宣战。翁向光绪帝热切陈词：“切不可再因循不图大举”，若败在一个“蕞尔日本”之手，其后果不堪设想。但这时李鸿章正企图借“高升”号被击沉一事，幻想英国出面干涉，一再请求“稍缓”宣战时日，军机处、总理衙门“准如所请”。翁同龢对此不以为然，他说：“此数日且勿宣布，失此机会可惜。”结果，直到8月1日，清政府才对日宣战。
清政府虽对日宣战，但战机一误再误，以致在军事上着着落后。到8月底，侵朝日军已达4万多，而中国在平壤的军队只有2万多，不仅兵力单薄，且统帅无人。翁同龢对平壤前敌军事给予了极大的关注，曾多次要求“添军”，但这些意见得不到支持。
李鸿章主和避战，直接造成清朝在军事上的惨重失败。9月16日，平壤失守，清军溃退到东北九连城、凤凰城一带。第二天，日本海军又在鸭绿江口的黄海海面挑起了一场激烈的海战。这次海战后，李鸿章为了保存自己的实力，有意夸大战败的程度，下令余舰避居港内，不准出击，从而把黄海制海权拱手让给了日本。翁同龢等为李鸿章迁延误国造成中国军事接连败北所激怒，要求制裁李鸿章。在主战派的强烈谴责下，西太后不得不给李以薄惩，下令拔去花翎，褫夺黄马褂。
日军占领朝鲜后，接着又于10月中旬，分两路向我东北发动大规模进攻。日军的疯狂侵略激起了中国人民的无比愤慨，要求抗战的呼声空前高涨。于是，光绪帝下令成立巡防处、督办军务处，谕令沿海各地办理团防，作出了与日决战的姿态。为了加强对日作战的领导，又更换了部分军机成员，任命翁同龢、李鸿藻为军机大臣和督办军务处会办大臣。这一时期，翁同龢主战活动十分积极，先后向光绪帝条陈了一系列意见和建议。
一、建议起用奕禦。中日对朝鲜的交涉开始后，军机处因主持乏人，每次议事多迁延不决，这种软弱无力的状况引起了主战派和舆论的不满。中日开战后，要求起用奕禦的呼声增高。翁同龢认为“际此军务日急，大局可忧”，“合词吁恳将恭亲王量予任用”。迫于舆论，西太后正式任命奕禦主持总理衙门及军机处，督办军务，但奕禦因屡遭严谴，多年废置，这时更不敢违背西太后旨意。上台后，不是积极领导对日作战，而是加速议和，这使光绪帝和翁同龢等主战官僚大失所望。
二、积极与外商联系购买新式战舰。还在黄海海战前，翁同龢鉴于中国海军舰只较日本陈旧，曾应李鸿章要求，与海军衙门筹商向英国订购新式快船三艘。黄海海战后，翁同龢又通过盛宣怀向德华、汇丰等外商银行商借巨款，向“不通商国”转买铁甲快船二十号。③后因英、法阻挠，这一计划未获成功。
三、大力筹措战费。日军进攻东北后，各地防军纷调前线，饷需浩繁。其时部库空虚，翁同龢除了筹借商款、预征盐厘外，还以户部名义，先后通过驻俄公使许景澄、轮船招商局海关总税务司赫德向外商银行共贷借600万镑，充作“军饷和购置器械”。是年适逢西太后六十整寿，西太后正挪用海军巨款大办庆典，修饰颐和园。翁同龢对此十分气愤，利用书房进讲机会，痛言“声色之戒”，并与户部满尚书福锟联名奏请“停止庆典寻常工程”。在他的推动下，光绪帝也示意南、上两书房人员纷纷条陈，奏请停办点景，移祝寿费为战费。在舆论压力下，西太后只好下令停止部分庆典活动，另“发宫中撙节银三百万两佐军饷，制钱万串交直隶”。
四、建议强海防，设粮台。鉴于山海关到辽阳沿海一带防务空虚，翁同龢建议派重兵把守。
五、大力赞助湖南巡抚吴大贗请缨杀敌行动。亲拟奏片两道，提议以湘济淮，湘淮军同时出队击敌。
六、建议裁撤所有练军，仿照德军军制，聘请德国教官，编练新式军队。对于这项练兵计划光绪帝十分重视，后因荣禄“阻挠”作罢。④
翁同龢的上述主战建议和意见，大多为光绪帝所采纳，见诸实行，对于这一时期和稍后的抗战直接起了指导性作用。有些建议如练兵计划，虽因阻未能实现，但却促成了后来的天津小站练兵，直接影响到清末的军制。
在翁同龢等主战派的大力推动下，督办军务处先后从全国各地调集了数十万援军开往关外前线。但除了聂士成、依克唐阿所部在摩天岭、虎山等少数地区取得零星作战胜利外，其余清军多遭失败。11月下旬，旅顺失守，金州、复州、海城、盖平尽为敌占，奉天危急，军事形势对清朝严重不利。
12月初，美国出面调停，西太后求和心切，派出张荫桓、邵友濂赴日议和。翁同龢认为“和议虽开，战备仍宜克修”，主张和战并行，利用严冬，敌人给养、行军作战困难，调集湘军大队，会合关外各军，向敌人反攻，为议和创造有利气氛。根据他的意见，光绪帝正式任命刘坤一为钦差大臣，吴大贗为帮办，负责关外军事。然而，此举也未能挽回败局。迨至威海失陷，清政府便决定向日本求降了。
二、同西太后、李鸿章为代表的主和派进行不调和的斗争
甲午战争中，西太后、李鸿章避战自保，幻想国际调停，以制止日本的战争步伐，曾进行多次求和活动。翁同龢对这些求和活动不仅反对，而且进行了不调和的斗争。
1894年6月20日，俄国驻华公使喀希尼回国度假，途经天津，李鸿章希望俄国出面调停中日争端，迫使日本从朝鲜撤军。喀希尼向李保证：“如日本强夺朝鲜地方，中俄应会同保护。”⑤喀希尼的“保证”燃起了李鸿章的一片幻想，他几乎把全部希望寄托在“以俄制日”上，因而迟迟不作应战准备。翁同龢对李鸿章作法“深不为然”，他说：“俄不能拒，亦不能联，总以我兵能胜为主，勿盼外援而疏本务。”“若欲依赖俄使空言调处了事，断不足恃。”主张调动淮军大队，将北洋海军前敌后路“布置妥贴，以壮声威”。后来事态的发展，完全证实了翁同龢的看法。俄国在看到日本背后有英国支持，大为踌躇，向清政府表示：“俄国未便用兵力强勒日人”，“不能卷入朝鲜纷争”。李鸿章的求和活动遭到失败。
西太后同样有联俄制日的思想。当她听说喀希尼假满回任，行将到津的消息，打算要李鸿章出面同喀希尼进行再一次接触，请俄国出面劝日罢兵。
9月29日，西太后在颐年殿东暖阁单独召见翁同龢，命他前往天津，面告李鸿章：俄使喀希尼前有“三条同保朝鲜”语，询问俄国此约是否仍然有效?!1886年巨文岛事件发生后，李鸿章曾与俄使拉德仁在天津订立“中国不变更朝鲜政体，俄国亦不侵占朝鲜土地”⑥协议的节略。当时清政府恐受此约束缚，未予签字，仅由俄方作了口头保证。中日战争爆发后，及见日军占领朝鲜，8月13日，喀希尼与李鸿章旧事重提，表示俄国仍承认此约有效，以作为日后插足朝鲜的地步。迨至平壤、黄海两战失利，西太后遂打算与俄国“温此旧盟”，以制日本。翁同龢当即向西太后表示：“此事有不可者五，最甚者：俄若索偿，将何畀之?!”他说自己对这种事“从未与闻”，声称自己不堪任使，请求改换人选。西太后坚执不允。翁最后只好表示：“只有李某复词，臣为转述，不加论断。”10月2日，翁同龢在天津秘密会见了李鸿章，转述了西太后的意见。10月4日，翁回京复命，“力言喀不足恃”。喀希尼也向李鸿章表示：“俄国暂难搀越，目前宜暂守局外。”其结果恰如翁同龢所料，俄国不愿出兵干涉，西太后“以俄制日”的幻想破灭。