Năm 36 tuổi, Vũ Duy Thanh thi đỗ Tú tài vào năm Thiệu Trị thứ 3 (1843), rồi đỗ Phó bảng trong kỳ thi Hội vào năm Tự Đức thứ 4 (1851), tức khi ấy ông đã 44 tuổi.

Mùa hè năm ấy (1851), nhà vua lại cho mở chế khoa, và trực tiếp ra đề, Vũ Duy Thanh lại đỗ "Đệ nhất giáp tiến sĩ cập đệ đệ nhị danh" (tức Bảng nhãn) [6], vua Tự Đức còn châu phê "Chế khoa Bảng nhãn Cát sĩ thị trạng nguyên". Vì lệ thi cử nhà Nguyễn không lấy Trạng nguyên, chỉ có Bảng nhãn là cao nhất, bởi vậy ông còn được coi như là "Trạng", và được gọi là Trạng Bồng.

Sau đó, ông được bổ làm Thị độc trong Hàn lâm viện, sau được đổi qua viện Tập hiền, làm Quốc tử giám Tư nghiệp, rồi thăng Tế tửu (tương tự như chức Hiệu trưởng trường Đại học ngày nay), cho đến lúc mất.

Ở Quốc Tử giám, ông chú trọng việc đào tạo nhân tài. Bởi vậy ông đã dâng lên vua Tự Đức bản sớ xin chấn chỉnh việc giáo dục. Sử nhà Nguyễn là Đại Nam chính biên liệt truyện chép:

Vũ Duy Thanh từng dâng sớ nói rằng: Muốn được (người) thực tài tất phải khôi phục phép dạy, phép thi của cổ nhân, và liệt ra 8 mục:-Cẩn thận phép dạy ở trường tư các làng.-Kén chọn tổng lý và tá lại.-Dựng xã thương[7].-Giữ nghiêm phép dạy ở các trường phủ huyện.-Nghị đổi lại phép thi Hương.-Mở rộng phép dạy ở các nhà quốc học.-Chọn thầy, bạn cho các tôn sinh.-Sửa định lại việc ban phát kinh sách.Sớ tâu lên, (nhà vua) giao xuống bộ Lễ, rồi không quả quyết thi hành [6].

Tháng 9 năm 1858, quân Pháp nổ súng xâm lược bán đảo Sơn Trà (Đà Nẵng), ông đã dâng sớ xin quyết đánh [1].

Thấy đối phương có tàu chiến và đại bác, ông đã dày công nghiên cứu binh thư, tìm phương sách chống lại. Theo tài liệu thì ông đã dành một phần lương bổng để mua vật liệu chế mẫu tàu "hỏa công thủy chiến" tên “thủy xa mộc thành” [6]. Dự định sau khi thí nghiệm thành công sẽ đệ trình lên vua để chế tạo hàng loạt trang bị cho hải quân, trạng Bồng đã mời nhiều thợ giỏi đến nói về cách đóng tàu, việc chế tạo bộ phận làm cho tàu có thể lặn xuống, nổi lên được. Chiếc thủy xa mộc thành đầu tiên ấy vỏ bằng gỗ, lắp động cơ hơi nước và còn có tên gọi khác là mộc thành thủy chiến.

Ông nói: “Tôi đã nghiên cứu kỹ cái bong bóng trong bụng con cá. Con cá nổi lên hay lặn xuống được là nhờ cái bong bóng. Vậy ta có thể làm thuyền chìm rồi nổi nhờ bộ phận tương tự đặt bên trong thủy xa”. Sau một thời gian đóng và sửa đổi chi tiết, chiếc “thủy xa mộc thành” được cho chạy thử. “ Tàu đi khá nhanh. Tám khẩu súng thần công sẵn sàng… Bỗng hồi trống nổi lên. Thủy sư đứng trên chòi bát quái phất cờ làm hiệu, rồi chạy xuống dưới đóng cửa lại. Thật kỳ lạ, sóng cuồn cuộn nổi lên khắp mặt nước. “Thủy xa mộc thành” từ từ lặn xuống. Chỉ một lát sau, tàu lại nổi lên trước sự khen ngợi tán thưởng của quan khách, sĩ tử…".

Nhưng việc chưa xong thì ông mất tại chức vì bệnh dịch ngày 9 tháng 5 năm 1859, hưởng dương 52 tuổi [1].

Chuyện tìm ra than đá ở Việt Nam lần đầu tiên dưới thời Minh Mạng theo sử cũ ghi lại cũng là sự tình cờ; ấy là vào khoảng năm 1820, có một tiều phu, sau một trận mưa lớn, đi kiếm củi ở vùng núi Đông Triều, thấy những tảng đá đen óng ánh, xù xì trồi lên mặt đất. Khi lấy mấy hòn đá đen ấy kê làm bếp đun nấu thì thấy nó bén lửa cháy đỏ rực và toả ra khí nóng kỳ lạ. Người tiều phu lượm mấy hòn đá đen chạy về báo quan. Viên quan đứng đầu tỉnh Quảng Yên khi ấy rất lo sợ, vội vã cho vật lạ vào hòm, niêm phong cẩn thận, rồi cử người, ngựa chạy suốt ngày đêm về kinh đô Huế tâu trình. Triều đình cho đấy là “quái thạch”. Vua hoang mang, hạ lệnh tống giam “quái thạch” vào ngục thất. Duy có sĩ tử Vũ Duy Thanh biết đó không phải là “quái thạch” mà là than đá nên đã hết lời phân giải với triều đình về cội nguồn, công dụng của than đá và xin vua ban sắc chỉ cho khai thác nguồn tài nguyên quý giá này, nhưng không được chấp nhận.[8]

Đến đầu thế kỷ XIX (khoảng năm 1840), triều đình nhà Nguyễn mới bắt đầu chú ý đến việc khai thác và sử dụng than đá. Triều đình ra sắc lệnh lấy sức dân khai thác 1 ngàn tấn than ở núi Yên Lãng (Đông Triều) chuyển về kinh đô Huế sử dụng, chủ yếu dùng trong việc đúc tiền và rèn vũ khí...

Năm 1840, trong bức dụ của vua Minh Mạng cho phép Tổng đốc hạt Hải Yên (vùng Quảng Ninh ngày nay) là Tôn Thất Bật, khai thác than đá ở Đông Triều. Bức Dụ đã được lưu giữ tại Trung tâm và được dịch ra có nội dung:

Tháng này, Tổng đốc Hải Yên Tôn Thất Bật tâu xin thuê dân công đào mỏ lấy than ở núi An Lãnh, xã Đông Triều, thuộc hạt đó. Trước đây Bộ (Hộ -người dịch chú thích thêm) đã tư cho hạt đó đào lấy 10 vạn cân than đúng kỳ chở về kinh đô giao nạp. Trẫm nghĩ nhân dân hạt đó vừa mới lại được hơi an ổn, sao nỡ đem việc không gấp gáp mà làm họ vất vả. Bọn Bật lại tâu hạt đó sau biến cố (vừa dẹp giặc xong -người dịch chú thích thêm) vụ mùa vừa mất, thu hoạch kém, đời sống rất khó khăn, dân đều tình nguyện làm thuê để lấy tiền nuôi thân. Nay nghĩ dân trong hạt phần lớn nghèo hèn, đáng thương xót chu cấp. Lệnh chuẩn theo lời cầu xin. Các ngươi nên thận trọng, chớ sơ suất để an uý lòng Trẫm muốn ra ân cho dân. Khâm thử.

Vũ Duy Thanh là "người yêu nước chân thành"[1], "có tính chất phác, ngay thẳng. Đối với mọi người, (ông) vui vẻ, giản dị, không cạnh tranh. Nhưng đến khi bàn luận về sự sai lầm của tục học và tai hại của dị đoan thời (ông) tất ra sức nói"[6].