清代的神机营创设于咸丰十一年(公元1861年)，它和明代的神机营不太一样，它的出现有着特殊的时代背景，究其原因，大致可以分为三个方面：一、清初以骁勇善战出名的八旗军队到了清末已成颓废之势，尤其是英法联军侵入京师时，驻防八旗已形同虚设，无力承担拱卫京师的职责，因此清廷亟需建立一支战斗力较强的军队。二、晚清湘军、淮军等的崛起，对八旗军队构成了不小的挑战，出于对日益上升的地方勇营势力的顾虑，清廷希冀通过练兵的方法来维护八旗军队的地位和朝廷的威严。三、《北京条约》签订后，以英法等国为代表的西方列强攫取了更多的在华特权，同时他们也要求清王朝加强对其在华利益的保护，因而表示愿在军事上“扶持”清政府。
创建神机营的提议最初由恭亲王奕䜣、钦差大臣胜保、漕运总督袁甲三发起，最终咸丰选择由胜保集中3800名旗兵操练。辛酉政变后，慈禧授意由奕䜣操办神机营成立事宜，因此在咸丰十一年十二月初九日(1862年1月8日)，奕䜣领衔奏上练兵章程十条，对神机营的营地、兵员、官制、经费、武器、操练等作了详细陈述，标志着神机营的正式成立。神机营的本体是威远队，其营地在京城煤渣胡同，创建之初实际上是京师八旗的练兵衙门，它从禁军内务府中挑选精壮兵丁共一万余名集中操练，其中抬枪兵4800人，排枪兵800人，鸟枪兵700人。以“队”为单位，由神机营的专操大臣和侍卫负责日常训练。
神机营一般只用满人，后期才有极少数的汉人加入。平时负责神机营管理的事务大臣从王公大臣挑选，其下设有三位总理全营事务翼长，此外还并设有总理文案处、总理营务处、印务处、粮饷处、核对处、稿案处等。神机营里的官员较为特殊，事务大臣者，直接由王大臣指名咨调，无须经过吏部铨选。神机营官员的升迁也比其他衙门容易，时常有“保举”、“加级”的机会，比如晚清朝臣荣禄便是通过神机营发迹的。因此，其成立以后，“八旗京官竟往投效，文案处至160余员，营务处至180余员，而书手不在此数。”神机营里的士兵待遇也非常好，比普通京旗兵丁多，马队兵丁每月饷银五两、步队兵丁每月银四两。
神机营采用西式训练方法，使用比较先进的洋枪洋炮，它的武器装备有几方面来源：一、自己制造，神机营有自己的军火局;二、外国赠送，比如同治初年俄国就赠送给神机营万杆洋枪;三、向外购买，比如同治五年(1866年)，清廷下令由三口通商大臣定购洋枪五千支。
但是纵观神机营四十多年的短暂“生涯”，它不仅没有增强八旗军队的实力，也没有起到抵御列强侵略的作用，反而作为清廷镇压国内人民起义的工具。它曾先后参与镇压东北人民起义、捻军起义。此外，神机营内部也弊病丛生，出现了兵丁吸食鸦片泛滥成灾的情形。时记载有神机营内 “满地排列鸦片烟具，各兵丁拼命呼吸，候令再出。”因此，即便有先进武器装备，神机营仍难以避免走上衰颓的道路。