水戸藩は，徳川斉昭(1800~60)が嘉永年間に至って藩政への関与を許されるようになると，兵器の充実，とりわけ従来の銅製に変えて鉄製大砲鋳造の必要性を痛感するようになり，南部藩士の大島高任（総左衛門）らを反射炉建設の技術者として採用した。建設地としては吾妻台が選ばれた。地盤の強固なこと，水戸城下３里の近郊で経済的にも廻船業で賑わう藩内随一の繁栄地であること，原料の鉄と燃料の石炭の調達運搬に便利であること，錐入れ水車場の建造にも便宜を有することなどを満たす場所と判断されたためであろう。
安政元年８月，起工式が行われた。大工棟梁となった飛田与七（宮大工）の指揮のもと，入念な基礎工事を施すとともに，耐火煉瓦の原料となる粘土を得るため，那須郡小砂村（栃木県馬頭町）の土がもっとも適していることを見究め，これに磐城産の燧石の粉末を一定の割合で混ぜ合わせることで烈火に耐える煉瓦の焼成に成功した。大島らは，当初10基の炉の建造を計画したといわれるが，当面は２基の完成を目指すこととし，翌安政２年１月から建造に着手し，11月に１号炉（西炉）が完成した。同３年鋳込みをしてモルチール砲（臼砲）を１号砲から４号砲まで造っている。完成した大砲は約束により幕府へ送られた。もっとも，１基では一度に溶解できる鉄の量はおよそ400貫であるから，２炉以上なければ大型の大砲鋳造はできない。そこで，２号炉（東炉）の建造に着手し，１号炉と同型ながら火廻りに改良を加え，同４年12月に完成させた。
しかし，先のモルチール砲は，良質の鉄が得られず強度に問題を残した。そこで，大島は，故郷南部の釜石（岩手県釜石市）に出張し，かの地に洋式高炉を建設，良質の「柔鉄」（鉄鉱石から精錬した銑鉄）供給に見通しをつけて同５年１月，那珂湊へ帰り，鋳造の本格的操業を開始した。すなわち２月からは２基の反射炉でモルチール砲３門，カノン砲１門を鋳造，さらに４月からは釜石の「柔鉄」2700貫が那珂湊に到着し，これにより３寸径カノン砲３門を鋳造できた。
こうして鋳造作業は，約４年を費やしてようやく明るい展望が開けたが，前藩主斉昭が再度幕譴を被って謹慎の命を受けたとの報が届き，以後操業は事実上中止のやむなきに至った。これが再開できたのは，万延元年(1860)12月頃とみられ，元治元年(1864)２月までカノン砲数門の鋳込みが行われたものの，同年３月に起こった元治甲子の乱の影響は那珂湊にも及び，10月にはここで激戦が展開された。このため反射炉も水車場もその戦火のなかで焼失崩壊した。
那珂湊反射炉の完成は，前述のように安政２年であるから，年代的には佐賀藩，薩摩藩，幕府の伊豆韮山に次いで全国第４位ということになる。しかし，大島によるわが国初の洋式高炉の建設は，水戸藩の鋳造事業に直結すること，苦心のすえ高度な耐火煉瓦の開発に成功したことは，わが国近代製鉄史上およびセラミックス工業史上に重要な意義をもつものである。また，反射炉が建造された場所に，残されていた当時の煉瓦の一部を取り入れながら復元模型を建て，その敷地を保存してきた先人の功績も忘れてはならない。これらの点において，那珂湊反射炉は，本県の史跡の一つとして，その存在意義を十分に主張しうるものである。