清道光二十七年(1847年)进士，选翰林院庶吉士。道光三十年(1850年)，授编修；
咸丰四年(1854年)，改江南道监察御史；翌年，任江西九江知府；咸丰六年(1856年)，调署广信(今上饶市)知府，与太平军作战，升任广饶九南兵备道和吉南赣宁兵备道；
咸丰十一年(1861年)，调赴曾国藩安庆大营办理军务；
同治元年(1862年)，由曾国藩保奏，升江西巡抚，兼办广信粮台。
同治三年(1864年)九月，急行军五昼夜，俘洪仁玕、洪仁政、黄文金等，并在石城荒谷搜获洪天贵福(洪秀全之子)，受到清廷重赏。
同治五年(1866年)，经闽浙总督左宗棠推荐，授总理船政大臣；次年六月，正式主办福建船政，遇到种种阻挠。经葆祯与左宗棠上疏力争，船政业务得到发展。葆桢不顾英人反对，聘请法人日意格、德克碑为船政正、副监督。葆桢重视学习外国科学技术，培养中国自己的科技人才。葆桢设船政前学堂，培育造船人才，设船政后学堂，造就航海驾驶人才，在招生上采用英、法海军学校的规章制度，参用中国的考试方法，入学前通过三场考试，严格挑选，教学则采取“教习包教，学生包学”的办法，提高学生的学习质量和效率。葆桢主政期间，福建船政制造“万年清”等15艘船舰，并为国家造就一大批科技人才和海军骨干。
同治十三年(1874年)五月，日本政府以琉球船民在台湾遇害为借口，派兵在台湾社寮港登陆，占据琅王乔，建都督府。清廷任葆桢为钦差大臣，率师入台。葆桢决定以“理谕”、“设防、“开禁”作为处理原则，调兵驻守各处，建筑炮台，铺设海底电线，沟通闽台军务，又抽调淮军到台。日本探知葆桢加强战备，不敢轻举妄动，转而要求抚恤琉球遇害人员家属及赔偿军费。清廷答应其要求，日军才退出台湾。葆桢加强台湾的行政管理，将福建巡抚移居台湾；增设台北府，置淡水、新竹、宜兰三县，在琅峤增设恒春县；分南北两路开山辟道，招徕内地人民开发山区；宣布编户口、禁仇杀、立总目、垦荒地、设番塾(学校)等七条约法；引进西洋机器，开采台北煤矿；建郑成功祠，发扬民族正气；修筑城垣，增强防御力量。
光绪元年(1875年)八月，受命为两江总督兼南洋通商大臣，奉命处理“皖南教案”。以“罪无所归”折服洋人，妥善结案。任内修河堤、行海运、筹积谷、拔罂粟、减税收、整盐务、禁厚殓、修炮台、固防务、平冤案、选贤能。终因积劳成疾，病卒于督署。清廷追赠太子太保，谥“文肃”，设专祠(在今福州市政府大院内)以祀。
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