Khởi nghĩa Bãi Sậy
Hưởng ứng chiếu Cần Vương

Sau cuộc tấn công ở kinh thành Huế đã thất bại, Tôn Thất Thuyết mang vua Hàm Nghi chạy ra Tân Sở (Quảng Trị). Tháng 7 năm 1885, vua Hàm Nghi hạ chiếu Cần Vương. Nguyễn Thiện Thuật trở về nước, thành lập căn cứ địa Bãi Sậy do Đổng Quế trao lại. Vua Hàm Nghi phong cho ông làm Bắc Kỳ hiệp thống quân vụ đại thần, gia trấn Trung tướng quân, nên nhân dân còn gọi ông là quan Hiệp thống. Dưới sự lãnh đạo của Nguyễn Thiện Thuật, khởi nghĩa Bãi Sậy lan ra khắp tỉnh Hưng Yên và một số tỉnh lân cận.
Tháng 9 năm 1885 nghĩa quân vượt sông Hồng sang đánh phá các huyện Thanh Trì, Thường Tín, Phú Xuyên, Ứng Hòa. Đêm 28 rạng ngày 29 tháng 9, quân Bãi Sậy tấn công thành Hải Dương, quân Pháp phải điều hai pháo hạm tuần tiễu trên sông Thái Bình để bảo vệ.
Tháng 10 năm 1885 Thống tướng Roussel de Courcy giao cho thiếu tướng François de Négrier, trung tá Donnier cùng Hoàng Cao Khải mở cuộc càn quét lớn vào căn cứ Bãi Sậy. Được tin, Nguyễn Thiện Thuật lệnh cho các tướng bí mật tấn công vào các đồn địch, chặn đường địch hành quân. Sau đó, ông nhử địch vào sâu căn cứ nơi đặt trận địa mai phục. Khi quân Pháp biết bị mắc lừa định rút lui thì quân Bãi Sậy nổ súng và dùng đoản đao, mã tấu đánh giáp lá cà. Nhiều quân Pháp bị giết, tướng Négrier chạy thoát.
Tại căn cứ Hai Sông, vào tháng 11-1885, suốt trong 2 tuần, nghĩa quân đã phải chống cự quyết liệt với một binh đoàn lớn do Falcon và Faure chỉ huy.
Ngoài hoạt động chống càn quét, nghĩa quân còn tổ chức nhiều trận tập kích hiệu quả. Ngày 26/6/1886, nghĩa quân tấn công một đồn Pháp ở Cầu Đuống. Tháng 9/1885, Nguyễn Thiện Thuật trực tiếp chỉ huy nghĩa quân tấn công chiếm lại thành Hải Dương, rồi tỏa ra đóng giữ các làng xung quanh. Nhưng do lực lượng quá yếu, nên sau đó nghĩa quân phải rút lui. Tháng 9/1886, nghĩa quân chặn đánh binh đoàn Bazinet và tấn công đồn Bần Yên Phú, đẩy mạnh các hoạt động ra các miền phụ cận Hà Nội, Bắc Ninh.
Ngày 12/2/1887, một trận đụng độ lớn đã xảy ra ở vùng Kẻ Sặt (Hải Dương). Từ cuối năm 1888 đến đầu năm 1889, nghĩa quân còn tổ chức đánh thắng quân Pháp nhiều trận, như các trận ở Lang Tài (Bắc Ninh), Dương Hòa (Hưng Yên)...
Thống tướng De Courcy bị bãi chức, Charles-Auguste-Louis Warnet sang thay. Warnet thực hiện càn quét quy mô lớn bằng chiến lược phân tán quân đội, lập các đồn nhỏ để dễ tuần tiễu, đồng thời chuyển chế độ cai trị bằng quân sự sang dân sự, nhưng cũng không thành công.
Ngày 9 tháng 2 năm 1888, em Nguyễn Thiện Thuật là Nguyễn Thiện Dương bị tử trận trong cuộc đụng độ với quân Pháp do viên đội Fillipe chỉ huy. Được tin em chết, ngay đêm đó Nguyễn Thiện Thuật lệnh cho Tuần Vân, Đề Tính tấn công đồn Ghênh và đồn Bần Yên Nhân để trả thù, giết chết 21 quân địch.
Ngày 11 tháng 11 năm 1888, Hoàng Cao Khải cùng giám binh Ney chỉ huy đồn Mỹ Hào đưa lính về gặt lúa ở Liêu Trung tổng Liêu Xá, muốn buộc dân hết lương phải ra đầu thú, xa rời quân Bãi Sậy. Nguyễn Thiện Thuật được tin, lệnh cho các tướng Nguyễn Thiện Kế, Nguyễn Văn Sung, Vũ Văn Đồng đem 800 quân trong đó có 400 tay súng giả dạng phu gặt để phục kích. Quân Bãi Sậy nổ súng giết chết 31 quân địch, trong đó có giám binh Ney, Bang tá Nguyễn Hữu Hào. Hoàng Cao Khải trốn thoát về Mỹ Hào rồi nhờ giáo dân Kẻ Sặt đưa đường chạy về Hải Dương.
Tháng 6 năm 1889, Thống sứ Bắc Kỳ ra lệnh thành lập đạo quân Tuần cảnh do Hoàng Cao Khải với chức Khâm sai Bắc Kỳ làm Tư lệnh trưởng, Muselier làm Cảnh sát sứ. Quân Bãi Sậy giao chiến quân Tuần cảnh suốt 8 tháng, gây cho địch khá nhiều thiệt hại. Trận Đông Nhu, quân Bãi Sậy giết viên quản khố xanh Leglée; ngày 24 tháng 7 giết chết viên quản khố xanh Escot ở làng Hoàng Vân. Ngày 18 tháng 10 Nguyễn Thiện Thuật bắn viên quản Montillon bị trọng thương. Ngày 11/4/1891 quân của Hai Kế và Đề Vinh bị vây ở Mậu Duyệt, hai bên bắn nhau, viên quản Desmot bị giết, giám binh Lambert bị thương.
Nhiều lần không thắng được, người Pháp phải tặng Nguyễn Thiện Thuật danh hiệu "Vua Bãi Sậy".