1870年（明治3年）3月～10月までの8か月間、兵部少丞に就任し、日本海軍の基礎創りに尽力する。しかし、増田明道ら他の海軍担当官との関係は良好とは言い難く、佐野の奮闘は空回りでしかなかった。罷免についても同僚の船越衛は同情している。1871年（明治4年）、初代燈台頭に就任し、洋式燈台の建設にあたる（同時に工部大丞にも就任）。1872年（明治5年）、博覧会御用掛に就任し、日本の産業の近代化をめざすべく、同年3月に初の官設博覧会を湯島聖堂で開催する（湯島聖堂博覧会）。1873年（明治6年）、ウィーン万国博覧会事務副総裁に就任して、ウィーン万博に派遣される。博覧会を通じて日本の近代化に貢献し、「博覧会男」の異名を得る。通訳はアレクサンダー・フォン・シーボルトが努めた。