光绪三十三年（1907年），施肇基调任京奉铁路局会办。翌年（1908年），出任吉林西北路兵备道兼滨江关监督、吉林林业局监督。宣统元年（1909年）2月，他“对俄人在哈尔滨及中东铁路沿线非法收税行为，向中东铁路公司提出抗议”。3月，参加与俄使廓索维慈、中东铁路公司总办霍尔瓦特等就中东铁路界内公议会问题谈判。使霍尔瓦特同意撤消俄罗斯在哈尔滨的水利会，收回松花江航行管理权。不久，施肇基升任吉林交涉使，办理对外事务。10月26日，前日本驻朝鲜统监、日本枢密院议长伊滕博文在哈尔滨被朝鲜爱国志士安重根刺死，施肇基妥善处理了这一涉外事件。11月，会同东三省蒙务局督办朱启钤，妥善解决乌泰借款案，由清政府代替蒙古王爷乌泰向沙俄还款，粉碎了沙俄企图霸占东蒙的阴谋。

宣统二年（1910年），施肇基奉调回京，晋升为外务部右丞，进入清政府外务部核心领导层。年末哈尔滨鼠疫爆发后，他任防疫大臣，推荐伍连德参与防治，还周旋于各国之间，最后在四个月内成功消灭鼠疫。

宣统三年（1911年）8月，改任外务部左丞。10月，外放为出使美、墨、秘、古四国大臣。后因武昌起义爆发，没有成行。

民国元年（1912年）3月，袁世凯接替孙中山任中华民国临时大总统，令唐绍仪出任第一任国务总理并组阁，4月施肇基出任唐内阁的交通总长。但唐绍仪不堪忍受袁世凯虐法越权之行为，于6月16日辞职，施肇基与其共进退，也托病递上辞呈。随后，袁世凯提名施肇基为驻美公使，但未获国会批准。11月，施肇基任总统府大礼官。

（唐绍仪内阁成员图册主要参考资料）

民国三年（1914年）6月，施肇基被袁世凯政府派往英国，出任驻英全权公使。12月赴伦敦就任，开始了历时七年的使英生涯。

民国八年（1919年）1月18日，巴黎和会召开。中国组成了以外交总长陆徵祥为团长的代表团，出席和会。施肇基是五名代表之一。在和会上，中国代表团提出了取消列强在华特权、取消“二十一条”、收回山东权益等要求，但由于英、法、美等列强操纵会议，中国成为列强利益争夺的牺牲品。当时的中国代表团内部，也因矛盾和分歧，一度涣散。老资格的施肇基位次被排后，态度曾一度消极。在山东问题交涉一筹莫展时，他主张与英国接洽，但是未被重视和接受。

在4月29日至30日讨论中国山东问题时，和会完全拒绝中国代表团所提出的归还被日本夺取的山东权益的合理要求。消息传到国内，爆发了五四运动；当时在巴黎的华侨和留学生也强烈要求代表团拒绝签字。在中国人民共同声援下，施肇基赞成顾维钧等人的主张，不顾北京政府训令，拒绝在巴黎和约上签字。

5月28日中国代表团最后一次会议后，施肇基陪同梁启超前往英国访问，没有参与代表团后期的活动。虽然留下了遗憾，但他仍然是中国拒签对德和约的功臣之一。

民国十年（1921年）2月，施肇基与顾维钧互换任所，转任驻美全权公使。同年11月起，美国总统沃伦·加梅利尔·哈丁为解决巴黎和会遗留的远东问题，发起召开华盛顿会议。北京政府委派施肇基为首席代表，顾维钧、王宠惠为全权代表。

由于当时中国军阀混战，政潮汹涌，内阁更替频繁，华盛顿与会国某些代表对中国的态度极为傲慢。法国代表外长阿里斯蒂德·白里安曾冷言冷语地询问施肇基：“贵国代表团能否代表全国？”施肇基严正回答：“能够代表各国承认的合法政府。”

11月16日，施肇基代表中国在会议上提出了要求各国 “尊重中国领土主权之完整”、“各国如不预先通知中国，不得缔结关系中国之条约”、“在中国之特别权利等，皆须公表， 否则概认为无效”、“行政自由上所受限制须立即废除”等十大原则要求。尽管有“赞成门户开放，机会均等”等表示，仍不能满足列强的贪婪要求。后来美国代表伊莱休·鲁特将十项原则归纳为四原则，侧重“门户开放”“机会均等”，于11月22日通过。对于施肇基在会议上的发言，当时国内报纸予以严厉批评。

随后，施肇基与顾维钧先后向大会提交了关税自主、解决山东问题、废止“二十一条”、撤销领事裁判权、交还租借地、 取消各国势力范围、撤退外国军警、撤废无线电台、尊重中国战时中立等12项提案，其中尤以山东问题为关键。经英美居间斡旋，中日双方进行会外谈判，英、美两国各派代表二人与议。经过中日代表在会外三十六次会谈，几经周折，终于在美英代表的压力下，于民国十一年（1922年）1月27日通过了美国提出的折中方案——《中日解决山东悬案条约及附约》三十四条，规定日本将山东胶州湾德国租借地及胶济铁路有关设施以及青岛海关归还中国，撤走以上各地的驻军；中国付给日本五千三百四十万金马克作为“补偿”，同时将收回之租借地作为商埠对外开放。在请示北京政府同意后，施肇基代表中国于2月4日在条约上签字。

经过帝国主义国家的明争暗斗，华盛顿会议于民国十一年（1922年）2月6日结束，施肇基代表中国政府签订了《关于中国事件应适用各原则及政策之条约》（即《九国公约》）和《九国关于中国关税税则条约》，确认美国提出的“门户开放，机会均等”原则，否认了日本在华的“特殊权益”与垄断地位，为美国加紧对华扩张提供了有利条件。至于中国所要求的关税自主、撤销领事裁判权、交还租借地、撤退外国军队等问题，华盛顿会议均未予解决。

施肇基在华盛顿会议上为争取废除不平等条约做出了一些努力，又听命于北京政府在条约上签字，因而获得北京政府的好评。民国十二年（1923年）1月4日，张绍曾奉命组织内阁，施肇基被延揽为外交总长。施肇基过于自信，未等国会通过表决就搬进外交总长的官邸。但众、参议院分别于1月19日、24日投票，由于“施肇基不肯设宴招待议员被否决”。施肇基尴尬不已，加上感染时疫，遂于2月11日提出辞呈，到天津养病。3月底，施肇基返美复任驻美公使。他与美国谈判，商定以庚子赔款作为派遣留美学生之用。为处理这笔基金，施肇基担任了中国教育基金会董事会的理事。

民国十三年（1924年），施肇基奉命任中国全权代表出席日内瓦国际禁烟会议第一、二次会议。

民国十五年（1926年）5月，施肇基被颜惠庆内阁任命为外交总长，但他看到颜内阁之艰危，未即返国赴任，不久颜内阁即被奉系势力摧垮。

早在北伐战争期间，施肇基已与国民党有了联系，在北京政府行将瓦解之时，施肇基在美国表示：外国政府对中国应采取“不介入”政策。民国十七年（1928年）7月，南京国民政府确认施肇基为驻美公使，11月调任驻英全权公使。

民国十九年（1930年），施肇基担任出席国际联盟中国全权代表兼国联理事会中国全权代表。他在民国二十年（1931年）9月11日国联第十二届年会上发表演说，提请大会注意“‘如甲国谋以武力侵略乙国，国联应如何设法制止’之问题”。

民国二十年（1931年）9月18日，日本关东军挑起了震惊中外的“九一八”事变。次日，国民政府急电在日内瓦的施肇基，“要求国联主持公道”。9月21日，施肇基正式向国联提出申诉，请求国联出面干涉。那时的蒋介石政府，奉行不抵抗政策 ，幻想国联主持公道。因此，一再训令施肇基在国联积极活动。22日，国联做出决议，不分侵略者与被侵略者，采取各打五十大板的立场，向双方政府同时发出了紧急警告：避免扩大事态，寻求撤军办法。9月30日，在施肇基要求下，国联再次做出“停止冲突、双方撤兵”的决议。但是，日本不但不执行国联的决议，反而再次扩大军事行动，进一步侵占吉林、敦化、洮南一线，并进攻黑龙江省。11月25日，施肇基根据南京政府的训令，请国联“划锦州为中立区”，但此举遭到全国舆论的强烈抨击。12月4日，施肇基又接到外交部紧急训令，要其立即在国联大会上声明：“‘锦州中立案’不能接受，如日军进攻锦州中国将不得不采取自卫办法。”政府政策前后矛盾，导致施肇基焦头烂额，备受煎熬。

南京政府不抵抗日本侵略、单纯依靠国联的做法，早已引起国人的不满和愤怒。各政党团体、海外侨胞纷纷抨击，学生一次次到南京外交部请愿抗议。而施肇基在巴黎也被中国留学生攻击受伤，身心十分疲惫。12月5日，他向南京政府电辞国联代表职务，但未即获准。此后他只能惟南京政府之训令行事，仍然寄望国联能阻止日本进占锦州。民国二十一年（1932年）1月，南京政府派颜惠庆接替施肇基出任国联代表和理事会代表职位。

离开国联这个火山口，施肇基又于民国二十一年（1932年）4月辞去驻英公使之职。南京政府随即将他派往美国，出任代理驻美公使。民国二十二年（1933年），施肇基被正式任命为驻美公使。民国二十四年（1935年）6月，中美双方将驻外使节升格为大使级，施肇基遂成为中国第一任驻美大使 。那时的中美交涉事务甚多，不过政府经常派遣特使赴美活动，已不再单纯依靠驻外使节进行。民国二十五年（1936年）8月，59岁的施肇基以年老体衰为由辞去驻美大使职务，回国定居上海。

民国二十六年（1937年），抗日战争全面爆发，施肇基激于民族大义，出任国际救济会宣传组主任，负责向外国宣传中国的抗日立场，争取各国政府和人民的援助。他还兼上海市防痨协会董事长，并在上海设附属医院。

民国二十七年（1938年）7月，施肇基被国民参政会聘为参政员，他因住在上海，未去武汉、重庆出席会议。

民国三十年（1941年）夏，施肇基去美国，被美国总统富兰克林·罗斯福任命为五名委员组成的美国南非联邦国际和平委员会的“非本国籍委员”。同年12月，太平洋战争爆发，施肇基被国民政府委任为中国物资供应委员会副主任委员，常驻华盛顿，为中国争取战时物资。

民国三十四年（1945年）6月，施肇基担任中国出席联合国旧金山会议成立大会代表团的高等顾问。

民国三十七年（1948年）至1950年，施肇基任国际复兴开发银行顾问委员会委员兼顾问。

1954年后，施肇基因脑溢血逐渐淡出外交舞台。

1958年1月3日，施肇基在华盛顿逝世，享年81岁。

光绪三十二年（1906年），唐绍仪入京接任督办铁路大臣，约施肇基同行考察。当时京汉铁路名义上为比利时借款所筑，实际法、比两国投资。人事分配上，行车处处长由法人担任，银团代表为比利时人。由于施肇基能用法语对话，办事精明，得以任邮传部右参议兼京汉铁路局总办。京汉铁路借款，每年归还本息，必须按期缴付，若有拖欠，影响路权。为此，他采取了改革措施，认真整顿，以增盈余，清偿外债。他到任后第一件事，取消免票制度，以身作则。凡有官吏来索免票者，他以个人薪俸支出购票赠之，致索票者逐渐减少，“增加路上收入甚多”。又由于华籍员工薪俸较低，弊端甚多，他决定将华籍员工待遇增加一成。至于铁路材料采购，外商卖办均向他兜售，诱以优厚佣金，均被严词拒绝。

光绪三十四年（1908年），身为京奉铁路局会办的施肇基奉命到沙俄铁路公司谈判，使霍尔瓦特同意撤销俄罗斯在哈尔滨的水利会，收回松花江航行管理权。

民国八年（1919年）1月，施肇基参与“巴黎和会”。会议期间，他与顾维钧等中国代表严正表明了中国的立场和要求，特别在山东问题上，与日本代表进行了激烈斗争。在努力无果、全国人民的强烈要求下，中国代表宣布拒绝在和约上签字。

民国十年（1921年）11月，华盛顿会议召开，施肇基在会上提出取消日本强迫中国签订的21条的要求。日本政府坚持山东问题只能由中日两国举行双边会谈解决，最后由美、英代表协调，中日双方进行了直接谈判。施肇基等代表在会谈中坚持原则，据理力争，先后与日本代表辩论了30多次，最终达成《中日解决山东悬案条约及附约》，追回了在第一次世界大战期间被日本强夺的德国在山东的部分权益。

民国十九年（1930年），施肇基出任出席国际联盟的中国全权代表兼国际理事会中国全权代表。“九·一八”事变爆发后，施肇基根据国内报告，在事变次日召开的国联第65次会议上，向各国代表报告事变发生经过。民国二十年（1931年）9月23日，中国政府正式致函国联，提出申诉，希望国联主持公道伸张正义，解决日本侵略中国的问题。在施肇基的强烈要求下，国联不得不于12月24日召开特别大会，投票表决对日制裁案。投票的结果是24票赞成，日本1票反对，制裁案宣告通过。日本虽极尽抵赖之能事，但也未逃脱道义上的谴责，颜面尽失，被迫宣布退出国联。中国赢得了国际社会的同情和支持。

施肇基于清末在吉林任职期内，最值得一提的是妥善处理了“伊藤博文遇刺案”。宣统元年（1909年）10月26日，策划中日甲午战争和吞并朝鲜半岛计划的日本首相伊藤博文在哈尔滨视察，在检阅俄国仪仗队时，朝鲜志士安重根突然冲出连放数枪，击中伊藤博文（后不治身亡）。事发后，施肇基以少有的冷静和果敢处置此事：“余派人到傅家甸电报局，传令今日电报只许收存，不许发放。同时电告外务部：在此案调查清楚全案报部之前，请勿发表任何文件。若有人问及此事，政府千万不可有‘保护不周’之道歉语句，贻日人以口实。”其后他获得安重根口供，“余查此口供非常确实，乃撰一报告电达外务部，并代撰英文通讯一篇备外务部交《北京日报》英文版发表。该通讯在北京刊出之后，余始解傅家甸电报局‘扣电’之禁令，其所积压之各国通讯电稿，乃纷纷发出。 ”施肇基手法十分老练，既维护了国家尊严，又杜绝了日本节外生枝，使中国免除了可能的外交纠纷。

宣统二年（1910年），施肇基奉调回京，晋升为外务部右丞，进入清政府外务部核心领导层。年末，哈尔滨鼠疫流行（参见词条1910年鼠疫事件），很快蔓延东三省甚至关内。鼠疫流行后，俄日以防疫为由，图谋东北主权，各国外交使团更是频频施加压力。危难关头，施肇基挺身而出，建议外务部筹办“万国治疫会议”，任命他为“防疫大臣”，并力荐南洋华侨伍连德出任会长。施肇基一方面争取朝廷的支持和批准，一方面积极周旋于各国之间。尤为重要的是，施肇基从朝廷那里获准中国历史上首次允许大规模焚烧尸体的圣旨，为及时控制疫情创造了条件。施肇基与伍连德上下配合，在四个月内力挽狂澜，成功消灭鼠疫，创造了世界防疫史上的奇迹。

中国近现代医学家伍连德：“即使在当时，施肇基显然已是众望所归的出色人物，与第二次世界大战前的安东尼·艾登难分伯仲。……施肇基也是英俊男子，他那微躬的身姿竟常被视为中国学者特有的高雅姿态，众人皆预料其日后必然飞黄腾达。……他处事追求并厉行高效率，犹如干练的美国行政官员。”

中国现代历史学家唐振常：“中国第一代职业外交家，当始于辛亥以后之袁世凯及历代北洋政府，……在这一代可数的著名人物中，有伍廷芳、伍朝枢、陆徵祥、曹汝霖、施肇基、王正廷、顾维钧等。”

伍连德：二人在抗击鼠疫时合作，关系良好，至1950年代仍有书信往来。

施肇基的著作有由他口述、傅安明笔录整理的《施肇基早年回忆录》。