道光二十年（1840），鴉片戰爭爆發，正在揚州治河的魏源趕至寧波前線，在欽差大臣伊裏布軍中參加審訊俘虜的英軍軍官安突德。從其口供中，魏源對西方的人文地理有了一些了解。次年，他結合其他英俘的口供，撰成《英吉利小記》，後收入《海國圖誌》。
道光二十一年，魏源在兩江總督裕謙幕中籌辦浙江防務。裕謙是一個堅決主張抵抗侵略的疆臣，但部下將領餘步雲等貪生怕死，清軍武器裝備又極為落後，終使浙江海防失守，裕謙自殺。親曆了這一抵抗英國侵略戰爭的魏源，看到了英軍的殘暴行徑和堅船利炮，看到了清朝統治者張惶失措、昏聵庸懦的醜態，“羯虜雲翻覆，驕兵氣指揮。戰和誰定算，回首釣魚磯”。他也看到了沿海軍民忠勇抵抗、不怕犧牲的氣概。從此，魏源的思想發展到一個新的階段。
魏源從事實中認識到，鴉片戰爭失敗的一個重要原因，是清統治者的昏庸腐敗，指出了他們對世界情勢的懵懂無知、虛妄自大而又畏敵如虎：“承平恬嬉，不知修攘為何事，破一島一省震，騷一省各省震，抱頭鼠竄者膽裂之不暇，馮河暴虎者虛驕而無實。”他希望清統治者勵精圖治，整軍備武，以求長治久安。為了振奮人心，鼓舞抗擊強敵的士氣，魏源根據自己任內閣中書舍人以來積累的大量資料，發憤撰寫了《聖武記》14卷，於道光二十二年（1842）中英《南京條約》簽訂之時完成。書中曆述了清初以來的武功方略，討論了兵製、戰術等具體問題，反映出他要求富國強兵的強烈愛國主義熱情。
道光二十一年六月，林則徐被遣戍，從重發往伊犁，途中經過鎮江。林、魏當年在北京即誌同道合，意氣相投，此時相會，兩人感慨時事，推心長談。林則徐把他在廣東抗英時所譯的《四洲誌》、《澳門月報》和粵東奏稿及有關西方槍炮、地理圖樣交給魏源，囑“鉤稽貫串，創榛辟莽，前驅先路”，編撰一部《海國圖誌》。魏源果然不負重望，他結合曆代史誌及明以來的島誌和近日所得“夷圖、夷語”等大量資料，於道光二十二年底編成《海國圖誌》50卷，4年後增廣至60卷。鹹豐二年（1852），又補充以葡萄牙人瑪吉士《地理備考》、美國人高理文《合省國誌》等，擴展為100卷，予以重刊。《海國圖誌》是中國第一部較係統介紹世界各國地理、曆史、經濟、文化、軍事等內容的新書，它的刊刻問世，對國內有識之士開拓眼界，了解世界起了重要的促進作用。鹹豐八年（1858），兵部侍郎王茂蔭曾奏請將此書廣為刊印，使親王大臣每家置一編，並令宗室八旗作為教材學習。然而酣嬉悠遊和麻木僵化的王公大臣、貴胄子弟們已經失去了接受任何新鮮事物的能力。雖有王茂蔭煞費苦心的推薦，《海國圖誌》在中國上層統治者中，還沒有達到在日本的受重視的程度。自道光三十年（1850）第一部《海國圖誌》傳入日本，至明治維新前已傳入十數部，被日本學人摘譯翻刻達22種版本以上，對日本的維新開通風氣，起到了重要影響。