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禁门之变失败的消息传到萩不久，长州藩就接到了英法美荷联合舰队即将发起攻击的报告。于是，藩政府派伊藤等人与联合舰队方面进行交涉，以确保关门海峡的安全为条件，避免开战。但交涉破裂，未能如愿。
元治元年（1864）八月五日，四国联合舰队的17艘舰艇炮轰马关（下关），攻击长州藩炮台。八月六日战斗越发激烈，联合舰队派遣陆战队登陆，使用旧式武器战斗的长州藩节节败退，炮台被一一占领。
八月七日，藩政府决定派出议和使团，高杉晋作任议和使，另两名藩士为副使，伊藤和井上馨担任翻译。八日，高杉等人登上“欧律阿罗斯号”旗舰进行议和，提出将大炮作为战利品交给联合舰队等条件，议和成功。
其实，首先是伊藤一人先到“欧律阿罗斯号”，与此前将他从横滨送到姫岛的驻日英国公使馆翻译生萨道义见面，做好交涉的准备工作。而且，伊藤和萨道义在议和交涉中的作用，并不仅仅是翻译。在他们共同努力之下，议和获得了成功（萩原延壽『遠い崖』二巻、143～175頁。『伊藤公直話』159～161頁。『伊藤博文伝』上巻、153～160頁）。
八月十四日，四国联合舰队最终与长州藩签订了议和条约，内容如下：①要礼貌对待通过马关（下关）的外国船只；②外国船只可以购买煤炭、食物、木柴、水等物品；③允许外国船只上的人员在遭遇大风浪时上岸避难；④长州藩不可新设炮台，不得在旧炮台设置大炮；⑤长州藩从马关向外国舰艇开炮，但四国联军并没有行使烧毁马关的权利，所以日本方面必须向四国进行赔款并承担军队杂费，这一点将由江户幕府方面决定。除家老等人以外，高杉、伊藤也参加了谈判（井上馨没有参加）。
长州藩方面，尤其是高杉对赔款十分抵触，他认为：①攘夷行动是奉朝廷以及幕府之命，所以四国应向幕府方面要求赔款；②长州藩没有支付巨额赔款的财力，如果强行要求赔款，藩主恐怕也无法制止要去拼命的藩士。据说，伊藤将萨道义带到甲板角落，告诉他藩内的情况，希望四国去向幕府要求赔款（萩原延壽『遠い崖』二巻、183～192頁。『伊藤博文伝』上巻、165～171頁）。
此后，长州藩向横滨派遣使节拜访四个国家的代表，请求减免赔款。正使由家老井原主计担任，伊藤是三名随从之一。所以，只要长州藩有外交需要，伊藤肯定就会出现。虽然伊藤的英语水平并不算好，但他与外国人的沟通能力极强。
萨道义在日记中记录了以下两件事。一件事发生在八月二十七日，四国舰队的三位舰长为将家老井原等四位使节送到横滨一事造访马关，伊藤为招待萨道义吃一顿西餐费尽心思。“磨得无比锋利的长餐刀”让萨道义大吃一惊，烤鳗鱼和炖甲鱼则让萨道义吃得眉开眼笑。
另一件事发生在八月二十九日，萨道义想买东西，于是伊藤陪他逛马关。天色渐暗，萨道义正准备回去的时候，伊藤想留他住一晚再走。但萨道义约好了要回军舰吃晚饭，婉拒了伊藤的邀请（萩原延壽『遠い崖』二巻、206～209頁）。
这两件事，让萨道义充分感受到了伊藤的心意。
九月十日，家老井原正使和伊藤等人组成的使节团乘坐军舰抵达横滨的时候，四国已经决定要求幕府支付赔款，于是他们又马上乘坐军舰返回了马关。九月二十三日复命后，藩政府给了四人犒赏，伊藤得到了10两。九月二十二日，幕府签署了向四国赔偿300万美元的协定。