Theo sách Đại nam thực lục của Quốc sử quán triều Nguyễn, năm 1883, lợi dụng triều đình nhà Nguyễn rối ren khi vua Tự Đức qua đời, Pháp đưa quân đánh vào cửa biển Thuận An, chiếm lấy Trấn Hải Thành. Trước tình hình nguy cấp, triều đình Huế cử Thượng thư Bộ lại Nguyễn Trọng Hợp ra Thuận An điều đình với Pháp. Ngày 25/8/1883, ngay tại kinh đô Huế, triều đình nhà Nguyễn và Pháp ký hòa ước Quý Mùi hay còn gọi là Harmand.
Hòa ước gồm 27 điều khoản với nội dung xác lập quyền bảo hộ lâu dài của Pháp trên toàn bộ Việt Nam. Quân Pháp cũng ép triều đình Huế nhường lại quyền kiểm soát Trấn Bình đài, pháo đài thứ 25 nằm trong hệ thống bảo vệ kinh thành Huế. Gần một năm sau, ngày 6/6/1884, quân Pháp và triều đình Huế ký thêm hòa ước Paternote với 19 điều khoản. Lấy lý do bảo trợ nước Đại Nam, có trách nhiệm giữ lãnh thổ, Pháp sẽ đóng quân bất cứ nơi nào họ muốn.
Với tinh thần chủ chiến, lợi dụng sơ hở của hòa ước Harmand không có điều khoản nào nói đến vấn đề quân sự của triều đình nhà Nguyễn, Phụ chính đại thần Tôn Thất Thuyết đã cho tuyển mộ binh lính, thành lập và củng cố các sơn phòng. Ngay tại kinh đô Huế, Tôn Thất Thuyết đã tổ chức huấn luyện hai đội quân mang tên Phấn Nghĩa và Đoàn Kết do Trần Xuân Soạn chỉ huy.
Sau khi vua Kiến Phúc qua đời, Tôn Thất Thuyết đã đưa vua Hàm Nghi lên ngôi và lên kế hoạch chuẩn bị cho cuộc chiến lâu dài với quân Pháp. Ngoài việc xây dựng căn cứ quân sự ở Tân Sở (Quảng Trị), ông cũng điều binh lính từ các nơi về kinh thành Huế, chuẩn bị cho cuộc đánh úp quân Pháp.
Triều đình Huế cho đặt nhiều khẩu súng thần công ở trên Thượng Thành và ở đài Nam hướng về phía Tòa khâm sứ Pháp ở bờ nam sông Hương và trấn Bình Đài (đồn Mang Cá). Tôn Thất Thuyết đã cho binh lính gấp rút đào hào đắp lũy ngay trong thành Huế, chuyển gấp tài sản từ các kho ra Quảng Trị. Kinh thành Huế cũng được bố trí phòng thủ nghiêm ngặt hơn.
Theo sách Đại nam thực lục, sau khi từ chối lời mời của tướng De Courcy sang tòa Khâm sứ hội đàm, khuya 4/7 năm 1885 (đêm 22, rạng 23/5 âm lịch), Tôn Thất Thuyết chia quân làm hai hướng tấn công quân Pháp. Đạo quân thứ nhất do ông trực tiếp tấn công đồn Mang Cá nhỏ, đạo quân thứ hai do Tôn Thất Lệ chỉ huy vượt sông Hương đánh úp tòa Khâm sứ. Vũ khí quân triều đình thô sơ, chủ yếu là gươm đao giáo mác để cận chiến, đạn đại bác chỉ làm cháy vài trại lính quanh Tòa Khâm, còn lại rơi xuống sông Hương.
Sau phút hoảng loạn ban đầu, quân Pháp chia làm 3 đoàn tấn công Kinh Thành. Từ Tiểu Trấn Bình Đài, thủy lục quân Pháp đánh thẳng lên khu Tam Tòa, Lục Bộ, tiến vào cửa Hiển Nhơn, đánh thẳng Đại Nội. Gặp sự kháng cự của quân triều đình, Pháp quay sang đánh chiếm Kỳ Đài.
Đạn pháo từ tàu chiến của Pháp bắn vào kinh thành Huế, Hoàng thành và cung điện nhiều nơi bị cháy sập. Quân Pháp từ Tòa Khâm cũng vượt sông sang đốt chợ Đông Ba và đi vào cửa Thượng Tứ, nổ súng giết dân lành chạy giặc.
Thấy tình thế thất bại, quan chánh đại thần Nguyễn Văn Tường đưa vua Hàm Nghi và hoàng tộc triều Nguyễn rời khỏi kinh thành Huế. Khi đoàn đến Kim Long, Nguyễn Văn Tường đã vâng chỉ của Thái hoàng Thái hậu Từ Dụ đi tắt vào nhà thờ đạo Kim Long để sau giảng hòa với quân Pháp. Tôn Thất Thuyết ra sau gặp vua Hàm Nghi và đưa vua đi đến Trường Thi để ra Quảng Trị. Khi đó, tùy giá chỉ có xe loan và lính biền binh lẻ tẻ chầu chực trên dưới 100 người, còn các dinh vệ, sau khi thua trận đều tìm đường về quê.
Sau khi vua Hàm Nghi rời khỏi Kinh thành Huế, quân Pháp lên kỳ đài treo hiệu cờ tam tài, quan lại triều Nguyễn và người dân trong thành giành nhau tìm cửa chạy ra, rồi tự giẫm đạp lên nhau, chết và bị thương rất nhiều. Quân Pháp đốt bộ Lại và bộ Binh, thuốc đạn khí giới các dinh trại, chia giữ các cửa thành trong ngoài và sở kho cung điện. Sau đó, quân Pháp sửa đắp các trại lính làm nơi trú đóng, nhặt chôn, hỏa táng xác chết trong trận đánh.
Tiến sĩ Trần Đình Hằng, Phân viện trưởng Phân viện Văn hóa nghệ thuật quốc gia Việt Nam tại Huế, cho biết Philippe Devillers đã thuật lại cảnh đau thương của kinh thành Huế năm 1885 trong cuốn Người Pháp và người Annam là bạn hay thù?
Theo đó, 11h ngày 5/7/1885, Roussel de Courcy, tướng chỉ huy đội quân viễn chính Pháp tại Việt Nam, điện cho Chính phủ Pháp: "Ngôi thành đã ở trong tay chúng ta cùng với 1.100 khẩu đại bác. Quân đội chúng ta tuyệt vời. Thương vong không đáng kể". Tướng Prudhomme báo cáo: "Xác của 1.500 người Annam cho thấy thiệt hại ít nhất phải gấp đôi, vì theo tập quán họ đã mang đi rất nhiều, và mang tất cả những người bị thương đi, vì sợ chúng ta sẽ đối xử tàn nhẫn...".
Sau khi rút khỏi kinh thành Huế, ra đến Quảng Trị, ngày 13/7/1885, vua Hàm Nghi đã ban chiếu Cần Vương kêu gọi văn thân, sĩ phu và nhân dân yêu nước đứng lên chống Pháp cứu nước. Đến ngày 29/9/1885, tại sơn phòng Ấu Sơn (Hương Khê, Hà Tĩnh), vua Hàm Nghi một lần nữa ban chiếu Cần Vương kêu gọi sĩ phu yêu nước đứng lên chống Pháp.
Quân Pháp và phe chủ hòa của triều đình Huế nhiều lần cho người chiêu dụ vua Hàm Nghi trở lại Huế song nhà vua từ chối. Quân Pháp và triều đình Huế đã đưa vua Đồng Khánh lên ngôi. Ngày 26/9/1888, vua Hàm Nghi bị bắt khi đang ở căn cứ của phong trào Cần Vương. Vua sau đó bị đày sang Algerie.
Võ Thạnh