光緒二十年(1894年)中日甲午戰爭爆發，清政府戰敗，被迫與日本議和，派戶部左侍郎張蔭桓、署湖南巡撫邵友濂前往談判，被拒。乃派李鴻章為全權大臣。二十一年（1895年）二月二十三日，李經方與馬建忠、伍廷芳、羅豐祿等隨李鴻章抵達日本馬關，與伊藤博文等開始談判。二十八日在第三次會談結束后，有日本浪人用手槍刺殺李鴻章，擊中左頰骨，血流不止，子彈未取出，登時暈絕。三月十二日，清政府任命李經方為對日談判的全權大臣。伊藤博文采用威逼脅迫等手段，限李經方立即作諾、否之答復。經請示清廷，得到光緒帝旨意后，三月二十三日，李經方、李鴻章與伊藤博文、陸奧宗光在馬關春帆樓簽訂了《中日馬關條約》。
四月二十四日，光緒帝命李經方赴臺灣，交接割讓臺灣事宜。李鴻章力請清廷收回成命，光緒帝非但不允，且嚴加申斥。五月初七日，李經方帶馬建忠、伍光建、科士達等由上海啟程赴臺，十日，與日本代表樺山資紀在基隆口外的日本軍艦上辦理了交接事宜。李經方與當天離臺，避居于上海，不愿再進京復命。
在日本的猖狂侵略面前，翁同龢、劉坤一、張之洞、孫毓汶等大臣主張密結俄國以抗日，得到慈禧太后的贊成。時值俄國沙皇亞歷山大病逝，尼古拉二世繼位，清政府遂派王之春為祝賀加冕專使，被拒絕。二十一年（1895年）十二月二十七日，改派李鴻章為專使。當天李鴻章向清廷遞交《吁辭使俄折》，請求收回成命，被清廷拒絕，李鴻章只得接受此項使命。
二十二年（1896年）正月十三日，李鴻章遞交《李經方隨行片》，稱他衰年遠使異域，朝廷特命李經述隨侍前往，體恤周至，感戴莫名。但李經述讀書多年，向未接觸洋務，此次隨往，只可借資歷練。李經方自幼兼習外國語言文字，后曾任駐英參贊，到過歐洲諸國，又任過出使日本大臣，于對外交涉事務較有經驗，遂請清廷批準李經方隨行。李經方遂以二品銜江蘇存記道充當李鴻章的隨員。于三月十八日抵達彼得堡。二十二日，沙皇在皇村接見李鴻章，特別問及馬關傷痕是否痊愈。二十五日，沙皇以回宮驗收禮物為名，破例秘密召見李鴻章，請李鴻章只帶李經方作翻譯，不使他人聞知，會談有關在中國修筑鐵路問題。經反復談判，四月十五日，總理衙門專門召開會議討論中俄密約，決定照辦，請旨允準。十七日，翁同龢至張蔭桓宅發電，以保密。李鴻章于十八日收到電報：“中俄睦誼從此加密，著派李鴻章為全權大臣，與俄國外部大臣畫押”。四月二十二日，李鴻章率李經方、李經述、羅豐祿等同至俄國外交部，與羅拔諾夫、維特互看雙方的全權諭旨，復校中、俄約文無訛，各自畫押蓋印，《中俄密約》（全稱《中俄御敵互相援助條約》）約成。
四月二十六日，李鴻章向沙皇辭行，沙皇請李鴻章帶李經方晉見兩次，座談一刻鐘。五月初一日，李經方隨李鴻章登車轉赴德國。抵達柏林的第二天，李鴻章率李經方等晉見德皇，遞交國書。五月二十四日，離開柏林前往荷蘭，再往比利時首都布魯塞爾，又到法國首都巴黎等地訪問。六月二十三日，李鴻章、李經方等到達英國，晉見英國女王。與英國政府談判增加稅收之事。七月二十一日，李鴻章、李經方等一行抵達美國紐約，會見美國總統克里夫蘭。八月二十七日，回到天津。二十六年（1900年），因義和團事件，八國聯軍入侵中國，慈禧、光緒西逃。任命李鴻章和奕劻為議和大臣，與列強談判。
二十七年（1901年）九月二十七日，李鴻章在北京病逝。翌年四月，清廷以李鴻章靈柩回籍有期，伊子李經方以四品京堂候補，命李經方在上海參加工部左侍郎盛宣懷與英國人馬凱關于通商條約的談判。不久，李經方又參與安徽及滬寧鐵路的籌建事宜。二十九年（1903年）二月，李經方、李經邁等葬李鴻章于合肥大興集夏小郢，隨后又呈請將坐落在北京崇文門總部胡同住宅一處交出，建京師李鴻章專祠。
三十三年（1907年）三月，李經方出任出使英國大臣。宣統二年（1911年）十二月，調任郵傳部左侍郎。郵傳部管轄郵電交通各項事務，但其中的郵政卻長期被外國人把持。李經方為維護國家主權，進行多次具體交涉，最終將郵政業務從稅務司轉回郵傳部管轄，由李經方兼任中國第一任郵政總局局長。辛亥革命后被罷官。
民國元年（1912年），李經方居住上海，為宗社堂盡力。五年（1916年），李經方與李經邁將由于式枚擬稿，李鴻章生前親筆改定之函牘影印行世，書名《李文忠公尺牘》。六年（1917年），在張勛復辟期間，李經方、李經邁鼓吹甚力，復辟失敗后，李經方蟄居大連，終日閉門。二十二年（1933年）立下遺囑，明定遺產分配方案，在合肥、巢縣、六安州、霍山都有大量田產。二十三年（1934年）九月二十八日病逝于大連，終年80歲。著有《李襲侯遺集》、《安徽全省鐵路圖說》等。
