1885年，卢木斋以朴学异才受到举荐，凭着一般士子所不具备的科学知识脱颖而出，受到破格任用，入朝做官。次年，卢木斋来到天津，当时李鸿章正在招贤纳士，网罗各地人才，开展洋务。不久，他被安排到北洋武备学堂，担任数学总教习。卢木斋十分重视采用西方的混合教学法，注意学员实践能力的培养，强调教学与实用紧密相连，颇受欢迎。清末，在他出任直隶提学使时，天津、保定地区兴建各类新式学堂之多及省、县建立图书馆之早，远远超过其他地区。
　　尤其需要指出的是，他对天津社会文化教育事业贡献良多。卢木斋从直隶学款中拨银1万两协助筹建南开大学，后按月拨给资助，直至调离官职。于公是支持天津近代教育事业；于私卢木斋与严修友情较深，故多次慷慨解囊。卢木斋在1907年创办天津图书馆时，曾获严范孙捐赠的5万卷藏书。1927年经严修介绍，卢木斋和张伯苓相识。为支持南开，卢木斋捐出10万元兴建南开大学图书馆。这幢新式图书馆占地920平方米，外形为丁字形，可容纳读者300人，藏书20万卷。为丰富馆藏，他首先捐出“知止楼”中的6万卷藏书。1928年10月17日，这座新式图书馆于南开大学建校24周年之际启用，南开大学为纪念他嘉惠学子，命名为“木斋图书馆”。卢木斋亲自前往致词，还把图书馆的钥匙交给校长张伯苓。可惜的是，这座以他的名字命名的图书馆仅存在了9年，1937年7月在日本侵略军的炮火下化为灰烬。
　　卢木斋矢志不渝地兴办教育，既包括高等教育，又包括初级教育和启蒙教育。卢木斋在直隶提学使任上，就其住宅(今河北区元纬路)兴办天津最早的幼稚园“卢氏蒙养园”，1916年办卢氏小学，1932年在元纬路的小学增设初中班，同时更名为木斋学校，1933年租赁位于英租界二号路(今营口道)一处校舍上课，中学部便独立成木斋中学。1939年在营口道增设高中部，成为了一所“完全中学”。为办学，他不遗余力，曾反复声明，并预立遗嘱：他购置房地产、经营股票红息得来的全部家财，皆作为木斋教育基金之用，遗产不传子孙。