さらに長崎警備の強化を掲げるも、幕府が財政難で支援を得られなかったことから、独自に西洋の軍事技術の導入をはかり、精錬方を設置して反射炉などの科学技術の導入と展開に努めた。高島秋帆の西洋砲術に多大な関心を寄せるが、守旧派重臣の反対や幕府に睨まれるといった懸念があったため、義兄で武雄領主の鍋島茂義に先導させてその導入に励んだ。

その結果、後にアームストロング砲など最新式の西洋式大砲や鉄砲の自藩製造に成功した他、蒸気船や西洋式帆船の基地として三重津海軍所を設置し、蒸気機関・蒸気船（凌風丸）までも完成させることにつながっている（それらの技術は母方の従兄にあたる島津斉彬にも提供されている）[4]。 

この痘苗は、長崎・佐賀を起点として複数の蘭方医たちを中心とするネットワークによって、5か月ほどの短い間に京都・大阪、江戸、福井へと伝播する。長崎の唐通事・頴川四郎八から京都に送られた痘苗によって、同年10月、笠原良策とその師である日野鼎哉が京都に、京都の噂を聞きつけた緒方洪庵が翌11月大坂に、「除痘館」という種痘所をそれぞれ開設した。

鳥羽・伏見の戦いの際には、上京中で藩主も家老も京都に不在だったため、薩摩藩からは佐賀征伐を主張する声が挙がったが、薩長（薩摩藩・長州藩）側が勝利に終わって以降は上京した佐賀藩も新政府軍に参加した。戊辰戦争における上野彰義隊との戦いから五稜郭の戦いまで、最新式の兵器を装備した佐賀藩の活躍は大きかった。明治政府が近代化を推し進める上で、斉正が育てた人材の活躍は大きく（佐賀の七賢人と田中久重の項も参照の事）、直正自身も議定に就任する。これらにより、討幕運動には不熱心であった佐賀藩であったが、薩長土肥の一角を担うこととなった。

但是他作为肥前藩主最知名的贡献是西化改革（和萨摩一样），包括军队制度与武器的西化以及对天花的防疫，新式军队也是戊辰战争中萨长土肥联军战胜幕府军的关键原因之一