光绪10年(1884年)中法战争起，刘铭传奉命办理台湾防务，在基隆、淡水等地与法军作战，光绪11年(1885年)中法议和，战事随即结束。中法战争後，清廷察觉台湾军事地理位置的重要，於是光绪11年(1885年)清廷宣布台湾建省，并於光绪13年(1887年)正式建省，由刘铭传担任台湾第一任巡抚。刘铭传在台湾积极从事建设，在政治方面，首先重新调整行政区，将原先的二府八县改为三府十一县三厅一直隶州，并调整台湾的职官；第二，设立抚垦局奖励开垦偏远地区；第三，招降原住民，并设立番学堂教化原住民。在经济方面，刘铭传积极开拓财源，首先推行清丈田赋并改变田赋的税额，因此查出许多隐田。他并主张废除台湾一田多主的土地制度，但因推行时发生施九缎事件，故折衷改变其土地政策，改为「减四留六」。另外，刘铭传在台北军械机器局铸造银钱，严禁使用私钱，但此一措施进行时间短暂。在交通建设方面，刘铭传在台湾推行铁路、邮政、电报；在军事方面，建购兵船并在基隆、淡水、安平等军事要塞兴建炮台，成立机器局制造枪炮。在教育方面，他则推动洋务人才的培育，创立西式学堂、电报学堂，此外并改革科举弊端。光绪17年(1891年)刘铭传因基隆煤矿弊案离职，由邵友濂接任，而刘铭传时期许多建设则因经费有限而停办。
刘铭传告老还乡後，於光绪23年(1897年)逝世，年59歳，追赠太子少保，諡号壮肃，留有《大潜山房诗稿》、《刘壮肃公奏议》传世。