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与同学十八人上“建威”号练船实习，南至厦门、香港、新加坡、槟榔屿，北上渤海湾、辽东等地，途中测量日度、星度，操练驾驶，见识大为增进。事后，船政大臣沈葆桢称赞说：“其精于算法量天尺之子者，则闽童刘步蟾、林泰曾、蒋超英为之冠”。次年，刘步蟾以第一名成绩成为福州船政学堂首届毕业生。
同治十三年(1874年)，升任“建威”号管带。光绪元年(1875年)，派往英、法研习枪炮、水雷。翌年归国，荐保都司。光绪三年(1877年)，赴英国留学，在旗舰任见习船副。光绪五年(1879年)，获优等文凭。毕业回国后，实授游击，赏戴花翎，派任“镇北”炮舰管带。光绪八年(1882年)，赴德国协驾“定远”等舰。于光绪十一年(1885年)回国，任“定远”舰管带，授参将。不久，升副将，赏加“强勇巴图鲁”勇号。光绪十四年(1888年)八月，因创建北洋水师有功，任右翼总兵兼旗舰“定远”管带。光绪二十年(1894年)，中日甲午战争爆发。北洋舰队排成“人”字形，步蟾指挥“定远”冲锋在前，将日本舰队拦腰截断，连创其“比睿”、“赤城”、“西京丸”诸舰，并击毙“赤城”舰长坂元八太郎。提督丁汝昌在飞桥上督战身负重伤，步蟾代为督战。战后，暂署北洋水师提督。光绪二十一年(1895年)正月，日舰队鱼雷艇偷袭威海港。“定远”舰中雷进水，步蟾下令砍断锚链，将舰从港内移泊刘公岛外的浅滩，改作水炮台，保卫刘公岛。2月10日（正月十六日），在先后击退日军八次水陆夹攻后，“定远”舰弹尽援绝。为战舰不落入敌手，步蟾下令炸沉“定远”舰。当夜，步蟾服药自杀，以身殉国。实践了生前"苟丧舰，必自裁"的誓言。时年43岁。与林泰曾合著《西洋兵船炮台操作大略》。
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