1860년(철종 11년) 조부 연암 박지원이 그랬듯, 청나라 사신단에 열하부사(熱河副使)로 임명돼 6개월 간 연경에 다녀왔다. 이 때 그는 처음으로 당시 국제정세의 흐름과 제국주의 침략의 실상을 접했다. 업무 외 시간에는 4년 전 애로우 호 사건 때 영·프 군의 북경, 톈진 점령 직후 함풍제(咸豊帝)의 대응 방식과 그 후 4년 여의 전쟁에 대해 자세히 조사했다. 박규수가 청국에 당도한 때는 4년 전쟁도 끝이 나고 베이징 조약이 체결될 시점이었다. 거인 중국이 불평등 조약으로 홍콩 주룽 반도와 연해주를 생으로 뺏기고 외교적 위신이 깎이는 모습을 현장에서 목격하며 심각한 문제인식을 가지게 됐다. 또한 심병성(沈秉成), 왕증(王拯), 풍지기(馮志沂) 등 백여 명의 현지 문인, 학자들과 교류해 견문을 넓혔다.