Năm 1864 ông đỗ Tú tài, năm 1868 đỗ Cử nhân. Em ông là Bùi Phủng cũng đỗ cử nhân, bổ làm án sát Hưng Hóa. Bùi Viện thì sau hai lần thi hội năm 1868 và 1869 đều hỏng thi. Nhiều sách nói rằng khi vào Huế thi Hội, ông đã tập văn và học ông Vũ Duy Thanh (1806-1861) (tức ông Bảng Kim Bồng) nhưng có lẽ chi tiết này không chính xác vì Vũ Duy Thanh đã mất từ bảy năm trước khi Bùi Viện vào đến kinh đô.

Năm 1871 ông nhận nhiệm sở giúp Lê Tuấn, Tham tri Bộ Lễ ra Bắc dẹp loạn giặc khách Cờ Đen, Cờ Vàng là dư đảng của Thái Bình Thiên Quốc. Công việc hoàn thành, ông trở về Huế. Bùi Viện được Doãn Khuê, Doanh điền sứ Nam Định mời ra giúp việc khai hoang, lấn biển trong công tác xây dựng cửa bể Ninh Hải (tức Hải Phòng ngày nay).

Năm 1873, vua Tự Đức buộc phải ký Hòa ước Giáp Tuất (15 tháng 3 năm 1874) nhượng bộ nhiều yêu sách của thực dân Pháp và nguy cơ mất cả nước đã nhãn tiền, triều đình chủ trương tìm kiếm những đối trọng khác ở nước ngoài để chấn hưng đất nước và cứu vãn họa xâm lăng của thực dân Pháp. Tháng 4 năm Quí Dậu (1873), vua Tự Đức được các quan hộ giá ra chơi cửa Thuận An. Trong khi vua đang ngự lãm thì có 9 chiếc tàu buồm vận tải của nha kinh lược Bắc Kỳ chở tiền tài và quân lính vào Huế. Đột nhiên từ ngoài khơi hai chiếc tàu ô tiến đến chĩa súng bắn sang, ta thua chạy, hai chiếc tàu bị giặc cướp mất. Các võ quan ta bắn thần công ra nhưng không trúng được phát nào, bọn giặc bắn giết chán chê rồi lại giong thuyền chạy mất. Bùi Viện đã làm một bài thơ kể rõ việc này, đồng thời chế nhạo sự hèn yếu của thủy binh nước ta.

Biến cố đó ít nhiều khiến cho vua ta nhận chân được sự hủ bại của triều đình và có lẽ vì thế đã chuẩn y đề nghị của Bùi Viện xin được xuất dương xem xét tình hình và tìm cách cầu viện. Bùi Viện đã lãnh nhận sứ mạng sang Mỹ do sự tiến cử của một viên đại thần trong triều với Vua Tự Đức. Bùi Viện lúc đó đang được xem như là một nhà kinh bang tế thế, có công lớn trong việc xây dựng cảng Hải Phòng, lập ra Tuần dương quân (lực lượng hải quân thường trực) gồm 200 chiến thuyền và 2.000 quân thủy thiện chiến và lập ra hệ thống thương điếm ở các tỉnh ven biển Bắc Kỳ.

Thủy quân của Bùi Viện tuy còn non trẻ nhưng đã sớm lập được một số chiến công. Tháng tư năm 1878, quân ta giao chiến với giặc Tầu Ô ở Hà Tĩnh, dùng hỏa công đốt tàu địch khiến chúng phải chạy trốn, tịch thu một chiến thuyền cùng lương thực đạn dược và bắt được 18 tên cướp.

Đến tháng 5 cùng năm, quân ta lại giao tranh với địch ở Thanh Hóa trong khi hải phỉ đang cướp một tàu buôn. Quân ta truy kích địch đến tận đảo Hải Nam (Trung Hoa), tịch thu một chiến thuyền và đạn dược, khí giới.

Ngày mồng 1 tháng 11 năm Tự Đức 31 (1878), ông đột ngột từ trần. Cái chết của ông cũng có nhều điểm còn mờ ám vì thật bất ngờ và không có dấu hiệu gì báo trước.

Một điểm nổi bật đáng lưu ý, bản thân ông chính là sợi dây buộc chặt Tuần Dương Quân với triều đình vì một khi không còn ông nữa, những đoàn quân đó đều tự động giải tán, một số quay trở về nghề ăn cướp cũ, một số khác tự ý tìm đường khác mưu sinh. Họ chỉ mới đến mức trung với chủ tướng chứ chưa phải vì quốc gia. Cũng có thể việc giải thể Tuần Dương Quân chính là chủ trương của một số người trong triều đình Huế lúc bấy giờ.