Chiến tranh Pháp – Thanh
Chiến tranh > Trận thành Sơn Tây

Bài chi tiết: Trận Pháp đánh thành Sơn Tây
Ngày 15 tháng 8, 1.500 quân Pháp do tướng Bouet chỉ huy chia làm ba cánh mở chiến dịch tấn công. Quân Pháp dự định tấn công quân Cờ đen đóng ở phủ Hoài Đức (nằm ở vị trí sở Dịch Vọng huyện Từ Liêm phủ Hoài Đức, ngày nay là đường Nguyễn Phong Sắc quận Cầu Giấy) và làng Vệ (làng Vẽ (xã Đông Ngạc Từ Liêm)), rồi đánh về Sơn Tây. Cánh quân bên phải bị quân cờ Đen trong làng đánh lại quyết liệt và bị hệ thống chiến lũy quanh làng cản bước tiến. Đêm hôm đó quân Cờ đen bỏ phủ Hoài Đức rút về cố thủ ở đồn Phùng (quân Pháp gọi là làng Phong), xây dựng rất nhiều chiến lũy bắn vào quân Pháp. Sau ba ngày giao chiến đẫm máu, quân Pháp vẫn chưa chiếm được làng Vệ và làng Phong, mất 42 lính bị giết, phải rút về Hà Nội.
Ngày 1 tháng 9, được tin thắng trận ở Huế, quân Pháp lại tiến về Sơn Tây đánh quân Cờ đen. Lần này quân Pháp vào được làng Ba Giang (Pháp gọi là Palan và gọi trận này là trận Palan) thuộc huyện Đan Phượng (nằm tại ngã ba sông Đáy nhận nước sông Hồng), nhưng khi đó nước lũ lên rất to, đê bị vỡ, khiến Lưu Vĩnh Phúc phải tưởng rằng quân Pháp phá đê cho nước tràn vào. Lưu Vĩnh Phúc cũng nhận được lệnh của Hoàng Kế Viêm rút về củng cố phòng thủ Sơn Tây. Triều đình Huế cử Nguyễn Trọng Hợp truyền lệnh cho Hoàng Kế Viêm (đóng ở Sơn Tây) và Trương Quang Đản (đóng tại Bắc Ninh) phải về kinh, các quan lại khi đó người thì tuân lệnh, người thì nộp bỏ ấn tín, bỏ về mộ quân phối hợp với quân Thanh để chống lại quân Pháp.
Tình hình quân Cờ đen tại Sơn Tây cũng không sáng sủa hơn nhiều. Thanh triều yêu cầu quân Vân Nam và Quảng Tây phối hợp hoạt động chặt chẽ với Lưu Vĩnh Phúc. Ngân khố tỉnh Quảng Tây cũng được chỉ thị cấp cho quân Cờ đen 100.000 quan bằng bạc làm quân phí, nhưng quân Cờ đen vẫn chưa nhận được đồng nào. Quân Quảng Tây dù được lệnh tiến về Sơn Tây, chỉ tiến đến Bắc Ninh rồi dừng lại, vì các sĩ quan Quảng Tây cho rằng thành Bắc Ninh mới có tầm quan trọng chiến lược như tuyến đầu phòng thủ tỉnh Quảng Tây, còn vai trò chủ yếu của Sơn Tây là bảo vệ tuyến đường thủy đi về Vân Nam. Kết quả là tham gia phòng thủ Sơn Tây, ngoài 5.000 quân của Hoàng Kế Viêm, chỉ có khoảng 3.000 quân Cờ đen, 1.000 quân Vân Nam và chừng 500 quân Quảng Tây.
Trong khi đó, Đô đốc Coubert vẫn tiếp tục củng cố lực lượng, quân Pháp nhận thêm nhiều đơn vị quân Ả rập và quân Lê dương. Tới đầu tháng 12 năm 1883, thêm 4.000 quân Pháp đổ bộ vào Bắc kỳ, nâng tổng số quân Pháp ở Bắc kỳ lên 9.000 người. Ngày 11 tháng 12, 5.500 quân Pháp, trong đó có một đội lính bản xứ mộ tại Nam kỳ và một đại đội lính Bắc kỳ, rời Hà Nội đi đánh thành Sơn Tây. Khoảng một nửa quân Pháp đi theo đường bộ, nửa còn lại theo đường thủy đổ bộ gần Sơn Tây (huyện Phúc Thọ). Thành Sơn Tây được xây dựng theo kiểu Vauban, nằm giữa thị xã Sơn Tây. Xung quanh thành Sơn Tây quân Nam đã xây một chiến lũy cao gần 20 bộ, dày 5 bộ, xung quanh có hào nước. Phía bờ sông Cái quân Nam củng cố đê bối rất kiên cố, biến nó thành một chiến lũy mang tên Phù Sa (nay thuộc phường Viên Sơn thị xã Sơn Tây) vì đoán quân Pháp từ đường sông sẽ đổ bộ vào đây.
Ngày 14 tháng 12, quân Pháp theo đường sông đánh vào bờ đê sông Hồng. Có ưu thế cả về quân số và hỏa lực, quân Pháp tấn công dữ dội và tới chiều đã chiếm được đê bối. Tới tối, quân Cờ đen mở một cuộc phản kích để chiếm lại đê, nhưng một phần nhờ trời sáng trăng, quân Pháp đẩy lùi cuộc tấn công đó. Trong suốt ngày hôm sau, quân Pháp củng cố các vị trí chiếm được, rồi chuyển pháo lên bắn vào thành từ sáng đến tối ngày 16, quân Cờ đen đánh lại rất quyết liệt. Trời sẩm tối, quân Pháp mở cuộc tiến công chiếm chiến lũy đối diện bờ đê thì phát hiện quân Cờ đen đã rút vào thành. Đêm đó quân Nam và quân Thanh rút chạy, quân Cờ đen cũng phải rút lui theo lên thành Hưng Hóa thuộc Hưng Hóa ở mạn ngược sông Hồng. Quân Pháp mất 83 người bị giết và 380 người bị thương. Về phía quân Cờ đen và quân Nam mất chừng một nghìn người. Đến thế kỷ 20, khi làm thủy lợi ở vùng này (trạm bơm Phù Sa (Sơn Tây)), người ta vẫn còn thu thập được hài cốt hàng trăm quân (Việt Nam và Trung Quốc) chết trận.
Trong trận này, lần đầu tiên quân chính quy nhà Thanh trương kỳ hiệu đối đầu với quân Pháp. Tin thất trận truyền về Trung Quốc thoạt tiên làm nhà Thanh hoảng hốt, vì tưởng Lưu Vĩnh Phúc chết trận. Chỉ vài ngày sau khi thành Sơn Tây thất thủ, tuần phủ Quảng Tây Trương Thụ Thanh dẫn một đoàn quân lớn tiến vào Lạng Sơn rồi cho củng cố thành Bắc Ninh. Khắp miền Bắc Việt khi đó đâu đâu cũng có quân Thanh và quân Việt đóng. Tháng 1 năm 1884, 12.000 quân Thanh do Sầm Dục Anh chỉ huy từ Vân Nam tiến vào Lào Cai, rồi tiến vào Hưng Hóa hội binh với Lưu Vĩnh Phúc. Quân Cờ đen được tăng cường lực lượng, lên đến 3000 người trở lại. Tổng số quân Thanh ở Bắc Việt khi đó lên tới chừng 50.000 người, kể cả quân Cờ đen, đóng thành một vòng cung từ Hưng Hóa, Thái Nguyên đến Bắc Ninh.