随着西学东渐过程的加深，西方巨炮的威力、舰船的便利都令日本朝野上下惊讶无比。日本的知识分子阶层当中，开始倾心于西方坚船利炮等新式事物的人逐渐增多。

安政二年（1855 年）长州藩设置了西洋学所，研究西方的先进技术且向藩内的全体武士开放授课，教授范围包括历史、地理、化学、理学、天文学等诸学科。随着日本国内形势的变化，内忧外患的局面使更多的有识之士将眼光放在了学习西方先进的军事方面，故而，西洋学所也俨然成为一所兵学校。

安政三年（1856）年八月，西洋学所制定了学规来督查勤怠，专门研究兵书和诸机械制造等西方先进军事技术。安政六年（1859 年）九月五日，西洋学所更名为博学堂，户田鬼之助、梅田虎次郎等从长崎修习海军回藩的人才在博学堂教授军舰操作、航海术等军事知识。

安政五年（1858 年），井伊直弼成为幕府的大老，当时的日本政局围绕着条约和将军的继嗣问题达到了最高峰。长州藩围绕着是否签订条约的问题形成了对朝廷忠节、对幕府守信义、对祖先要孝道的藩之三大纲领。

七月长州藩在召开的藩会议中强调为了应对欧美的冲击，藩内必须上下一致进行树立皇国威武的改革。八月，藩政府提出改革的纲领，包括：军政、民政以及其他，共三十六条。而以军政改革为它的第一特征。

益田弹正、周布政之助、前田孙右卫门等向政府推荐使用山田亦介进行军制改革。于是，在同年的七月二十日，山田亦介出任手当方，兼任军舰制造用掛、密用方用挂职，海陆军政皆被委任于他，专门从事军事改革。周布政之助还提出了要致力于引进先进的西洋军事装备，培养近代优良人才的主张。

安政六年（1859 年），传习生来原良藏等从长崎归来，他们要在深野町马场进行西洋枪阵军事演练，当时该地对西洋枪阵感兴趣的壮年不在少数，有的如大和弥八郎、村上弥四郎等人曾拜师学习过，所以对各个动作都有一定的了解。当深野町举办训练的时候，他们都争相想要加入西洋枪阵的操练。

万延元年（1860）闰三月五日，周布政之助在写给宍户九郎兵卫的信中认为：应该把下士、足轻和百姓动员起来，根据每个藩士所领的户数编成相应的枪队。同年二月，藩政府命令诸宰判开始建立乡校，住在乡下的武士可以在此学习文武诸术，也就是实行所谓的武士土著论。同时，藩政府动员起来进行枪阵训练的农兵也由乡校进行统一的管辖。这样，一旦长州藩发生异变，藩政府可以将农兵迅速组织起来进行防御。

周布政之助的这一军制改革，导致了以单一兵器组织起来的士族身份的崩溃。对农兵的征调，意味着武士持刀卫国、农民耕田缴贡的幕藩体制下农兵分离政策的破产。

长州藩进行军事改革时，海军军制的改革也是不可忽视的。安政四年（1857 年）和万延元年（1860 年），长州藩分别制造了西洋船型的丙辰丸和庚申丸。与此同时，松岛刚藏还向藩政府建议，在自己建造军舰的同时，应考虑从国外购买两艘蒸汽船。

安政五年（1858 年），长州藩向幕府开办的长崎海军传习所派遣了第二批传习生，这批传习生以山田亦介为总负责，包括了来原良藏等三十五人。同年，由于仅仅依靠武士来进行海岸线的防御已不可能，当时的地方官就提出了采用农兵的改革纲领。当时的农兵只是作为封建家臣武士团军事力量的的补助手段提出来的，可是随着危机的不断加深，这种农兵作为补助军事力的框架被极大地破坏，农兵愈益成为主要的战斗力量。

安政六年（1859 年）十一月，藩政府派北条源藏、户仓丰之进进入军舰教授所。到了万延元年（1860 年），当幕府的军舰操练所（教授所改名为操练所）扩大就学范围，允许有志向但是身份普通或低下的陪臣入学时，长州藩进入军舰操练所的人员也逐渐多了起来。

同时，跟随着幕府向海外派遣留学生学习海军军事，长州藩也开始向海外派遣留学生。文久三年（1863 年），长州藩派遣井上闻多（井上馨）、山尾庸三、野村弥吉、伊藤俊辅（伊藤博文）等人前往英国学习海军知识。