陈兰彬真正赴美出任驻美公使是在光绪四年（1878），比同治元年（1862）建立的美国驻中国使馆，整整迟了十六年。清政府首派驻美公使，是清政府对美关系的新起点，也是对美国华侨、华人采取关心和保护政策的具体表现。晚清驻美公使在处理中美侨务问题上起着举足轻重的作用。
陈兰彬赴美行程非常紧凑。光绪四年正月二十八日（1878年3月1日）陈兰彬在太常寺卿任内，领国书三份，出使美利坚、日斯巴尼亚（西班牙）、秘鲁。二月初九日（3月12日）陈上朝请训，面奉谕旨，先赴美国。十一日（3月14日）领到敕书，当即料理行装。二十四日（3月27日）由通州上船出发到天津。三月初二日（4月4日）抵天津紫竹林，泊驻招商局码头，不寓客馆。初三日（4月5日）谒见北洋大臣李鸿章，并接到总理各国事务衙门公文，内开：“吏部咨称：二月二十一日（3月24日）奉旨，陈兰彬补授宗人府府丞，钦此。” 陈兰彬：《使美记略》，见［清］王锡祺：《小方壶斋舆地丛钞》第12帙，台北：广文书局1964年版，第57页。在天津期间，美国驻天津副领事毕德格（William N。 Pethick）来见；税务司德璀琳（Gustav von Detring）送来美国博览会影图十幅。
三月初六日（4月8日），陈搭招商局“保大轮船”南行，初七日（4月9日）过烟台，初九日（4月11日）到上海，住二摆渡广肇公所。在上海，随带人员陆续亦到。初十日（4月12日）江海关道褚兰生来见，订约一月内拨交出洋经费。陈兰彬亦借此机会到南京拜见南洋大臣沈葆桢。也许是舟车劳顿，陈兰彬忽寒热大作，昏迷不省人事，渐而头晕目肿耳鸣舌麻，骨酸胁痛并疝痢旧症俱发，畏见风，日夜复难寐，几天后才得以好转。在上海期间，美国驻华公使西华（George F。 Seward）、西班牙公使伊巴理，以及美国、西班牙和意大利驻上海领事等也前来见面。
五月初一日（6月1日）陈兰彬一行搭招商局“富有”轮船前往香港，准备由香港出发赴美。初五日（6月5日）到香港，寄寓旧居安栈，等候美国金山公司轮船。在香港，陈兰彬频繁地与政界人士接触。他拜见英国驻港总督轩尼诗（John Pope Hennessy）以及各部门（如辅政司署、按察司署、华民政务司署等）高官。
秘国驻华公使爱勒谟尔（J。 F。 Elmore）也专程从广东到香港与陈兰彬见面，双方辩论美商同孚洋行代秘鲁招工事件。陈回拜爱使时，爱使送来所刻日文中秘和约一本，《秘鲁游记》二本。五月十三日（6月13日），陈兰彬前往广州拜会两广总督刘坤一、广东巡抚张兆栋、广州将军长善。十七日（6月17日）返香港定美国公司“东京轮船”舱位。二十一日（6月21日）写报告出洋日期及续带随员等函件，由香港招商局交“富有”轮船送上海文报局委员黄惠和转递。
五月二十二日（6月22日），陈兰彬偕随员及仆从共三十四人登舟，从香港出发前往美国。副使容闳此行还带中国各种书籍计一千三百部，送给他曾就读过的耶鲁大学。 《华书储学》，载《万国公报》合订本第9册，第5403页。二十七日（6月27日）抵达日本横滨。清政府驻横滨理事官范锡朋率翻译官张宗良、随员吴广霈前往迎接，一同登岸，使团借寓中华会馆（理事官衙门即在左侧）。在横滨期间，陈兰彬与翻译官陈善言前往拜会西班牙驻日公使和美国驻横滨总领事。后来，西班牙驻日公使送来伊巴理一函，询问陈兰彬何时到西班牙？陈氏复函，告知待到达美国后，再定期赴西班牙。驻日公使何如璋、副使张斯桂、参赞黄遵宪、随员沈文荧等亦探望陈氏使团。此时横滨有华人三千余，神户约数百人，长崎约千人。
六月初二日（7月1日）自横滨开行。初五日（7月4日）为美国开国庆日，船中书楼客厅插小旗数十面，有中国、英国、法国、俄国、德国、日本国、美国等国旗。二十六日（7月25日）晚八点钟，已隐约望见金山，因大雾迷漫，不便进口。该船载有洋人十七人，华人六十余人，船主摩利，曾任水师提督，对中国使团“情意均厚”，热情接待。在离开该船前，中国使团用小红旗书写“和衷共济”四字赠给摩利。二十七日（7月26日）上午九点正式到达旧金山，即美国加利福尼亚州圣弗朗西斯科。
旧金山的华人从四面八方赶来，热烈欢迎祖国派来的使者。当地六大会馆的商董们共一百多人，备马车专程到码头迎接，众多的中外人士在街道两旁欢迎及观看，有些人由数百里外乘火车而来瞻望汉官威仪。唐人街上的华人会馆、酒店已挂上中国龙旗。陈兰彬一行住在满金茉莉街九楼的宫殿酒店，在旧金山洋商大酒店有六间，而此酒店是最华丽的，遍地铺满地毡，电气灯光焰四射，白光如月。酒店竖起中国龙旗，表示向远道而来的中国官员致敬。陈兰彬的日记详细记述此情此景，也介绍旧金山的市容及经济情况，进而论述进出口贸易直接影响一个城市的兴旺和发展。日记写道：
……有三邑会馆司事梁楠到，说六会馆商董俱已预备马车亲来迎接，请为稍候。十一点钟，该商董百余人亲到船上，内衣顶袍褂者十余人，余俱长衫短褂，在码头上排班拱候。是日，中外士女观者如堵，并有由数百里搭火车而来瞻望汉宫威仪者。
登岸见华人会馆酒店已挂中国龙旗。赁寓在满金茉莉街九层楼宫殿酒店（亦竖中国龙旗）。是埠有洋商大酒店六间，此又六间中之最华丽者。闻房屋器用值六百万元，地毡足铺五顷，庭院设新制电气灯四盏，白光如明，芒焰远映胜煤气灯，且工费所省倍蓰，他日行用谅必广矣。
是处天气和平，周年小（少）雨而多雾。以寒暑针计之，至冷不过四十四度，至热亦不过六十四度。地在经线偏西一百二十二度零二十七分；纬线偏北三十七度零四十八分。日出较之广东差八点零钟。其街道宽阔，形如棋盘，而以街市街为适中之地，生意之大尤在东边各街。俱有长行街车，可坐十数人，略同泛湖小艇，而往来迅捷。又有机汽车，不用人力、马力，转动消息，自能行走。迤北地势稍高，清泉颇少，所饮之水俱由远山引来。其出产以水银、面粉为大宗，其余海味、药材亦多运出口。盖邦国大势，总以出口货多为兴旺，少为衰弱，此埠殆蒸蒸日上云。 陈兰彬：《使美记略》，见《小方壶斋舆地丛钞》第12帙，第59页。
林乐知主编的《万国公报》也一直报道陈兰彬出使美国的情形。《陈星使节抵美埠》一文证实，国内已于六月二十九日（1878年7月28日）收到陈公使电信，报告使团已抵达旧金山。 《陈星使节抵美埠》，载《万国公报》合订本第9册，第5403页。《万国公报》在《恭迎星使纪实》一文中，记载旧金山华人接待陈兰彬使团的热烈场面，全文如下：
陈荔秋宗丞奉使美国，总理秘鲁、日斯巴尼亚、古巴各国交涉事件。于六月二十八日行抵旧金山，迭列前报，兹西报云：轮船抵埠日，华商与会馆值理人先雇备车四十辆在埔头迎接，另巴利士客寓自雇十八辆往迎，先将钦使眷属迎入客寓，钦使乘大车居中，左右两车夹行皆领事、参赞等官，衣冠整肃，仪仗威严，华商敬侯，埠头差役沿途侍候，金山土人聚众观瞻，间有不法之徒怒目侧视，然亦不敢窃发，以有弹压故也。亦有西人揭帽敬礼者不乏其人。比入客寓，冠盖纵横，先部署楼阁两层分居。随员、钦使即启门迎客，相见甚欢。是日行台即升龙旗，各家华店亦竖小旗以志庆贺。客退，钦使即出门往拜官宪，回府。七月初一日，华商请宴。次日，该埠将军邀请钦使游阅各处，并赴西人戏院观剧。初三日，到映相馆照相，钦使以次二十六人同聚于尺幅中，随拟逗留数日，即启节前往美都华盛顿。 《恭迎星使纪实》，载《万国公报》合订本第9册，第5459页。
据陈兰彬的记载，华民在美共十四五万，分散在内华达、纽约、爱达荷、蒙大拿、犹他、宾夕法尼亚、路易斯安那、马萨诸塞、新泽西、田纳西、芝加哥、萨凡纳、新蕾、波特兰等地。各地华人皆在数百或三五千，或万余不等，而皆以金山为出入总口。
七月初五（8月3日），陈氏一行离开旧金山，乘车启程前往美国首都华盛顿任职。各商董前来送行，殷殷话别。《纽约时报》报道了陈兰彬赴美。称他是一位六十多岁的老人，留着稀疏的胡子，举止文雅，面部表情体现他富有才智而且令人愉快。文章强调指出，他作为中国公使在1878年到达美国之前，已具有丰富的对外事务的阅历。 The New York Times。 August 4， 1878.
十二日（10日）抵达哈特福德市，落脚于中国驻洋肄业总局，与副使容闳、驻洋肄业局监督区谔良及中书容增祥见面。容闳告知，美国总统及有关官员外出度假不在白宫，于是，陈氏一行暂住驻洋肄业局。容闳则与主事叶源濬前往华盛顿，租定耶夫街2925号为使馆。在哈特福德期间，陈兰彬等曾赴新英格兰各地游览，其随员则翻译各报纸关于华人的报道。前美国驻华公使头等参赞卫三畏亦来访，以前相识的美国朋友也分别来访。八月二十二日（9月18日），陈兰彬一行到达纽约。陈氏记载，纽约“街道宏敞，屋宇华丽，有华人约千七八百，住勿除街，以洗衣、卷烟为业，杂货店不过数间，资本俱小。闻近有凑股数万，拟设‘广贞祥’字号，专由香港贩运中国货物，分通古巴岛、南花旗等处，已回港置货，不日即可开张云。随员接见华商李希龄、伍朝辅、李道华等，询称：该处相待较胜金山。虽被埃利士人欺凌，一到官府，尚为理断”。 陈兰彬：《使美记略》，见《小方壶斋舆地丛钞》第12帙，第75页。
八月二十三日（9月19日），陈兰彬一行抵达美国首都华盛顿。陈兰彬与容闳照会美国国务卿埃瓦茨（William Maxwell Evarts，陈兰彬在日记中称之为伊棫士），文件称：“大清钦差大臣花翎二品顶戴宗人府丞陈，补用道容为照会事：照得本大臣奉本国大皇帝敬斋国书前诣贵国，兹于光绪四年八月二十三日行抵华盛顿，相应照会贵大臣，恳即据情奏请觐见之期，以凭敬谨呈递国书，并先抄录国书华洋文各一纸附送察照，须至照会者。” 黄嘉谟主编：《中美关系史料》光绪朝（一），第419页。很快得到美国国务院复告，总统外出尚未回白宫，须几天的时间。九月初一（9月26日），国务卿照会陈兰彬，总统已回京，订于九月初三（9月28日）接见。泰西各国互派使臣，首要事情要递交国书，用以表示慎重。公使出使，由总理衙门奏请国书。《万国公报》在《中朝钦使到任》一文中，介绍陈兰彬的身份是“驻美京钦差大臣宗人府府丞”，使团一行已由旧金山抵达美国首都华盛顿，美国当局已接待，并妥善安排使团谒见美国总统及呈递国书。 《中朝钦使到任》，载《万国公报》合订本第9册，第5540页。
九月初三（9月28日），美国总统海斯（Rutherford Birchard Hayes）正式接见中国公使。 陈兰彬：《使美记略》，见《小方壶斋舆地丛钞》第12帙，第76页。当天，陈兰彬与容闳，率同参赞容增祥，翻译陈善言、蔡锡勇及洋员柏立（D。 W。 Bartlett）一行，先到国务院拜会美国国务卿埃瓦茨，然后由国务卿带领下前往白宫。海斯总统和有关官员与中国使团人员一一握手，陈兰彬随即宣读颂词，容闳用英语翻译，接着，陈兰彬将由容增祥奉上的国书递给总统，总统接过国书后转交给国务卿，随即致答词。仪式结束后，陈兰彬一行在美国国务卿的陪同下参观了白宫，然后回使馆。陈兰彬的日记详细报道美国总统在白宫接见中国使臣的情景。日记写道：
兰彬与容副使闳，率同参赞容增祥，翻译陈善言、蔡锡勇，俱用行装，并洋员柏立，乘马车先到外部衙门，由正门入。各官旁立点首，行前数十步，由升车上楼，至第一层，入左边官厅，陈设铺垫俱极富丽。伊棫士并其参赞施华陪叙片刻，起偕兰彬等出乘马车，前赴伯理玺天德（即总统President 的音译）宫门外下车。伊棫士前导，兰彬先，闳后，增祥捧国书继之。翻译及洋员随进，至殿右静候。殿长约四丈，阔二丈余，玻璃窗槅几帘垫褥，一切蓝色，译称蔚蓝宫［蓝厅Blue Room］。少顷，伯理玺天德由殿左上，站立左首，随从六员：库务大臣沙文［John Sherman，财政部长］、律政大臣低云士、兵部大臣麦加拉利、驿务大臣胎拿、内部大臣别而、内务参赞大臣罗乍士，皆在左序立。伯理玺天德略一点首，兰彬等点首答之。伯理玺天德趋近，与兰彬、闳握手毕，兰彬随即朗宣颂词，增祥奉上国书，交兰彬恭捧，闳继用英语宣颂。词讫，兰彬敬将国书递与伯理玺天德接受后，转交伊棫士，即自展答词。诵毕，复与增祥等各员逐一握手示敬。伊棫士又引兰彬等与六大臣握手相见。施参赞亦带增祥等，与各官握手。然后退出，伯理玺天德送至殿前，谕令伊棫士陪过东殿游玩。少顷，乃别各大臣等，登车回寓。是日往返，男女观者夹道，即外部及宫殿门外亦挤拥如市。 陈兰彬：《使美记略》，见《小方壶斋舆地丛钞》第12帙，第76页。
《万国公报》也以《中国钦差进国书》为题，及时报道此事。文章记载如下：
西历九月二十八日，即中国九月初三日，中朝简放驻扎美京钦使陈君荔秋并容君莼甫，随带参赞一员、翻译二员谒见美国伯理玺天德。先是伯理玺天德照优待外客之礼，派大臣四员恭接后，陈钦差将国书呈进，由翻译先读，国书中之意云：中国大皇帝特派钦差前来贵国，以通友谊，而望贵国兴旺，俾中美两国永敦和睦，民共升平，即贵国至中国之商民视为一家，互相爱乐等语。读毕复由陈钦差亲手敬奉伯理玺天德，云：请为玉览。而伯理玺天德谦和问慰一切，并云：前十载已有贵国钦差至我邦，今贵钦差至此业第三次，已足见我国与贵国友谊久远，且此次贵钦差老诚练达，识见高深，凡遇交涉事件必能持公妥办，实两国之所欣幸也。 《中国钦差进国书》，载《万国公报》合订本第9册，第5771页。
第二天，《纽约时报》全文登载中国递交的国书。The New York Times。 September 29 ， 1878 ， p。1 。该报还在26日和30日，以社论的形式评论中国首任公使使美的意义。 The New York Times。 September 26 ， 1878 ， pp。3-4 ； September 30 ， 1878 ， p。4 。
中国的国书全文如下：
大清国大皇帝问大亚美利驾合众国大伯理玺天德（即总统President的音译）好，贵国与中国换约以来，睦谊攸关，凤敦和好。兹特简赏带花翎二品顶戴太常寺卿陈兰彬，出使为驻扎贵国都城钦差大臣，以二品顶戴道员容闳副之，并准其随时往来，朕稔陈兰彬等忠诚笃实，沉毅有为，办理交涉事件，必能息臻妥协。朕恭膺天命，寅绍丕基，中外一家，罔有歧视。嗣后愿与贵国益敦友睦，长享升平，朕有厚望焉。Notes from the Chinese Legation in the United States to the Department of State，1868—1906. The National Archives， Washington，1947. reel 1.（缩微资料，香港大学图书馆馆藏，第49-50号）
陈兰彬、容闳递交国书后，当即拜会各国驻美公使，互交名片，名片上写上中英文字样，随后，各国驻美公使也答拜中国公使。