Giữa lỳc quan hệ hai bờn đang như vậy thỡ thực dõn ở Sài Gũn phỏi Gỏcniờ (Francis Garnier) đưa quõn ra Bắc, bề ngoài với danh nghĩa theo yờu cầu của triều đỡnh Huế để giải quyết vụ Đuypuy, nhưng bờn trong là để kiếm cớ can thiệp sõu vào vấn đề Bắc Kỳ. Cho nờn, vừa đặt chõn tới Hà Nội ngày 15-11-1873, hắn đó lộ rừ bộ mặt xõm lược, đưa ra nhiều yờu sỏch ngang ngược: đũi đúng quõn trong thành, đũi mở sụng Hồng cho tàu thuyền Phỏp, đũi tổ chức việc thu thuế. Hắn cũn cho quõn đi vào cỏc khu vực đụng dõn cư, nỳp sau chiờu bài canh gỏc giữ gỡn an ninh trật tự, kỳ thực là để cướp búc.
Trước tỡnh hỡnh đú, quan lại tại Hà Nội chỉ biết ngồi chờ lệnh trờn. Mà triều đỡnh Huế thỡ khi nghe tin, cũng chỉ biết cử phỏi viờn ra Bắc điều đỡnh (!) trờn thế yếu, nuụi ảo tưởng cú thể dựng lời lẽ thuyết phục Gỏc-ni-ờ đuổi tờn Đuypuy đi và sau đú là rỳt về Sài Gũn. Nhõn dõn Hà Nội thỡ khụng chịu ngồi yờn. Việc bất hợp tỏc với địch đó được thi hành. Gỏc-ni-ờ lõm vào tỡnh thế ngày thờm nguy khốn, cỏc giếng nước uống trong vựng thường bị bỏ thuốc độc, ban đờm kho tàu của chỳng bị đốt chỏy, nguy cơ bị quõn dõn ta tấn cụng tiờu diệt là rừ.
Đỳng vào lỳc đú, hắn nhận được viện binh từ Sài Gũn tới. Với lực lượng được tăng cường, ngày 15-11-1873 hắn đơn phương tuyờn bố tự do mở đường sụng Hồng, thiết lập chế độ thuế mới. Bốn ngày sau, hắn gửi tối hậu thư buộc tổng đốc Hà Nội phải giải giỏp quõn đội, rỳt hết sỳng đại bỏc bố trớ trờn mặt thành. Khụng đợi trả lời, sỏng sớm ngày 20-11, hắn ra lệnh nổ sỳng đỏnh thành Hà Nội.
Xột về tương quan lực lượng thời đú giữa hai bờn, quõn số triều đỡnh đụng hơn nhiều so với quõn viễn chinh Phỏp, nhưng ớt được luyện tập, trang bị kộm, sỳng đạn thiếu thốn. Đó thế, việc chuẩn bị đối phú với một cuộc tấn cụng của địch khụng được chỳ ý đỳng mức. Bản thõn tổng đốc Nguyễn Tri Phương cũng khụng ngờ địch trở mặt sớm như vậy. Mặc dự thế, khi tiếng sỳng đó nổ thỡ quõn dõn Hà Nội chiến đấu rất anh dũng. Nguyễn Tri Phương lờn cửa thành phớa Nam trực tiếp chỉ huy quõn sĩ. Khi quõn Phỏp từ phớa bờ sụng tiến vào phố, cú sự yểm hộ của đại bỏc từ tàu chiến đậu ngoài sụng, thỡ chỳng đó bị đội quõn do một chưởng cơ đỏnh chặn quyết liệt ở ụ Quan Chưởng, dự đó phải hy sinh đến người cuối cựng. Tỳ tài Phạm Lý tổ chức những người trong huyện Thọ Xương tỡm cỏch chặn đứng bước tiến của giặc. Tuy nhiờn, dựa vào uy thế của hoả lực, địch đó vượt qua nhiều trở ngại để tiếp cận chõn thành. Cuộc chiến ỏc liệt đó diễn ra ngay trờn mặt thành. Thế quõn ta nỳng dần sau khi chủ tướng Nguyễn Tri Phương bị thương nặng. [Sau đú giặc Phỏp cố tỡnh cứu chữa ụng để tỡm cỏch mua chuộc về sau, nhưng ụng đó xộ băng buộc thuốc, rồi nhịn ăn mà chết]. Con trai ụng là Nguyễn Lõm cũng hy sinh tại trận. Giặc thừa thắng tràn vào thành. Nhưng nhõn dõn Hà Nội dưới sự chỉ huy của cỏc sĩ phu yờu nước, vẫn duy trỡ cuộc chiến đấu trong lũng Hà Nội. Đỏng chỳ ý là hoạt động bớ mật của Nghĩa hội (thu hỳt đụng đảo cỏc nhà nho, những người buụn bỏn làm thợ) chuyờn lo thu thập tin tức của địch bỏo cho quan quõn bờn ngoài để cú kế hoạch đối phú, phỏ hoại cỏc kho tàng của chỳng, trấn ỏp những kẻ theo giặc.
Chiếm được thành Hà Nội, Gỏc-ni-ờ khụng dỏm cho quõn đúng phõn tỏn, sợ bị tiờu diệt mà đúng ngay trong thành, bịt kớn cỏc cửa thành, chỉ dành riờng cửa Đụng để liờn lạc với bờn ngoài. Mặt khỏc, hắn gấp rỳt tuyển mộ lớnh nguỵ và ra sức đỏnh thuế nặng để vơ vột tiền bạc.