在与日本交涉时，沈葆桢提出了增强台湾防务的一系列主张，并积极付诸实施。对于如何设防，沈葆桢提出了四条措施。

第一，主张台湾设防以郡城为根本，同时加强其他要地的防御。沈葆桢奏称:“台地绵亘千余里，固属防不胜防。要以郡城为根本。”台湾北部的防务也十分重要，为“台地精华”，“尤他族所垂涎”，“且去郡千里，有事鞭长莫及”，应加强兵力和武器装备，“以备不虞”。沈葆桢这一设防主张被朝廷批准。随后，他对台湾的兵力进行了整顿、调防，形成北、中、南三个重点防御地带，较好地实现了台湾全岛重点设防的构想，并对侵台日军构成了强大的威慑。

第二，主张裁撤台澎疲弱班兵，以当地精壮补充，着力提高驻守台湾军队的战斗力。沈葆桢请示朝廷：“台澎之用内地班兵也，皆疲弱不可用，可否将台澎班兵疲弱者先行撤之归伍，其旷饷招本地精壮充补，以固边防。”朝廷发出上谕称：“沈葆桢等拟将班兵疲弱者撤令归伍，另招本地精壮充补。事平之后，察看情形，再行酌办。即著照所议行。”

第三，举办乡团，招募练勇，以壮声威。沈葆桢抵台之初，在台兵力十分有限。为增强台湾防务实力，沈葆桢派夏献纶乘轮船先后到淡水、基隆等地举办乡团，通过武装台湾当地的民间力量增强了台湾防务的实力。

第四，借拨内地精兵，以增台湾防务实力。沈葆桢奏称：“班兵惰窳性成，募勇训练无素。拟请于北洋大臣借拨久练洋枪队三千，于南洋大臣借拨久练洋枪队二千。如蒙谕旨，请饬其雇坐轮船来台，乃有剿敌之军，以为各营表率。”朝廷命李鸿章、李宗羲等人迅速调派，使驻守台湾的防务力量得到了极大的增强。

他深刻认识到台湾在整个中国海防中的重要战略地位，不断强调台湾防务建设的重要性和艰巨性。

从1874年12月上旬侵台日军撤离台湾到1875年8月底沈葆桢离台就任两江总督兼南洋通商大臣，对于这一时期沈葆桢的台湾防务思想，有学者评价说：“此时期沈葆桢的台湾防务思想具有相当的远见，其台湾防务实践呈现出某些治本性。”

日军虽然撤兵，但沈葆桢却清楚地看到日本侵吞台湾的野心，同时也深刻认识到台湾在整个中国海防中的重要战略地位，不断强调台湾防务建设的重要性和艰巨性。他指出:“台地向称饶沃，久为他族所垂涎，今虽外患暂平，旁人仍眈眈相视，未雨绸缪之计，正在斯时。”“台湾海外孤悬，七省（指当时的广东、福建、浙江、江苏、山东、直隶、奉天）以为门户。”“人第知预筹防海之关系台湾之安危，而不知预筹防海之关系南、北洋全局也。”

与此同时，朝廷内外重臣对于海防建设的紧迫感空前加剧，对日本侵略本性的认识更为清醒，对台湾防务善后建设的重要性也有了更为深刻的认识。1874年12月22日，朝廷发出上谕称：“日本兵船尽数退去台湾，惟琅峤一带善后事宜，亟须悉心筹划，妥善经营；所有招抚生番及修城开路各事宜，仍当妥筹办理。”沈葆桢提出了以下防务思想，把台湾防务建设提高到一个新的历史发展阶段。

统筹台湾防务建设

将福建巡抚移驻台湾，并增置府县，全面加强台湾的政权建设。台湾原为隶属福建的一个府，府治设在台南，对台湾北部广大地区指挥乏力。为了更有效加强对台湾事务的领导，沈葆桢建议清政府将福建巡抚移驻台湾，其好处是“有事可以立断”，“统属文武权归尊一”，“法令易行”。

1875年，清政府批准将福建巡抚移驻台湾，后来为了兼顾闽、台，又改为福建巡抚冬春季节驻台湾，夏秋季节驻福州。沈葆桢此主张主要着眼于台湾防务建设，得到了李鸿章的赞许。台湾原来仅设置一府（即台南）四县（台北、凤山、嘉义、彰化），难以满足台湾防务的需要。沈葆桢在同福建巡抚商议后，奏请朝廷增设府县。同年，台湾增设台北府和淡水、新竹、宜兰、恒春四县，最终实现了二府八县的建制，使清政府强化了对这些地区的管理和统治，对加强台湾防务建设和经济开发也发挥了重要作用。不久，沈葆桢又奏请清政府在台湾独立建省，此奏议在他逝世后得以实现。1885年，清政府下诏批准建立台湾省。