1863年，43岁的他由长沙知府调任山东按察使，奉命镇压宋景诗黑旗军起义，因“擅议招抚”，被革职留任次年迁任布政使，1865年，因僧格林沁率军镇压捻军，在山东曹州(今菏泽)失败，遭追究。

    1867年3月由阎敬铭举荐晋升为山东巡抚，与淮军李鸿章部合力围剿入鲁东路捻军。次年，西路捻军向定州进军，逼近京城，丁宝桢率兵驰援，保护了京城安全，朝廷更加器重，数次降旨褒奖。

    1869年秋，慈禧太后宠幸的太监安德海出京南下采办途经山东，一路大肆张扬，招纳权贿，无人敢触之。至泰安时，丁宝桢以太监出都门违犯清朝祖制为由，将其抓拿，押至济南正法。此事轰动朝野，颇为人称道。同年，在济南建尚志书院，招收各府州县儒生来院讲习，兼收愿学天文、地理、算术者。

    1871年，黄河于山东郓城侯家林决口，交通阻塞，多数州县被淹。负责治河的大臣建议第二年动工堵筑。丁宝桢力请即时于水涸时动工，并请命亲自督修。不到两个月竣工，费半而功倍。后黄河又在石庄户决口，河水夺流南下，山东、江苏、安徽数百里受灾，运河交通废弃，朝廷上下治水之议莫衷一是。

    1874年，他毅然奏请督工堵筑，
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