他派出的信差在丹凤遇到了孤拔率领的法军，他正带领三艘战舰、十余艘炮艇、四十余艘民船，运载着步兵、炮兵、海军陆战队士兵六千余人，分两路向山西进发。看了刘永福的回信，孤拔大怒道：“这个狂妄的家伙，我的大炮会让他知道这是多么愚蠢！”
哨探也报了法军到达的消息。因为法军是水陆并进，所以刘永福重新调整了一下部署，把东门、北门及河堤作为防守的重点。黄守忠、吴凤典率五个营的兵力防守城东，韩再勋的右营、胡昆山的武烈营、刘荣鏖的七星四营和滇军一营驻扎北门外，守北门至河堤一带。越南官军虽集结了两千余人，但他们早就奉命不再抵抗，所以根本指望不上，就由黄佐炎率领驻扎在南门的外村中。城西则由滇军的三个营防守。这样的部署就是由黑旗军打主阵，唐景嵩率亲军驻城内，刘永福则驻城外，赵建胜则紧跟着他。
次日，法军十余艘军舰及四十余艘民船到达山西城外，开始向北门外的河堤发动攻击。他们先用舰炮轰击城郊及河堤，然后登陆进攻。但在守军的痛击下，法军寸步难行，最后只得停止进攻，就地布防。
刘永福命令黄守忠、吴凤典由东门抄人敌后，赵建胜也派二十人参战。这支援军巧妙地利用竹林、土墙的掩护，悄悄接近法军。他们的行动很巧妙，在登陆的法军及舰队中间行进，红河中的舰队发现了他们，但又不敢开炮，因为怕误伤自己人。
他们接近法军后从左侧猛攻，将他们驱逐到一个狭窄的地带，在那里法军被两面夹击，大为慌乱，被胁迫来的越南苦力和仆役则趁机逃走了。孤拔见势不妙，慌忙调集所有大炮，当黑旗军冲进到三百码以内时，法军的枪炮同时打响，遏止了黑旗军的攻势，迫使黄守忠等后退。
黑旗军撤退后，双方停止了攻击，各自休整。到了下午四点，法军水陆集中火力向河堤进攻。黑旗军只有鸟枪和为数不多的林明敦火枪，还有几门既笨重又打不远的大炮，只有等法军靠近了才能有效攻击。法国海军陆战队冲上河堤，与跃出工事的黑旗军肉搏，激战二十多分钟，法军以死伤二百多人的代价占领了河堤。晚上，黑旗军想趁着夜色夺回阵地，但那天晚上却月明星稀，黑旗军还未接近河堤就被法军发现了，只有撤回。
次日，法军忙于掩埋死尸，巩固阵地，没有发动新的进攻。黑旗军因为没有攻坚武器，无力进攻河堤，双方就这样对峙着。唐景嵩派出数名骑兵，去请桂军救援山西，请黄桂兰进攻河内，以牵制法军。
第三天天刚亮，法军向山西城北门发动了进攻。军舰直接轰击北门，炮击过后，陆军开始进攻。黑旗军在城墙上插满交叉相系的竹桩，这些竹桩向外突出约两米多，可以站在上面阻挡敌人登城。他们还用竹筒装了火药，点燃了扔向法军，这样虽然不能把法军炸死，却烧伤了不少。战斗持续了整整一上午，法军都未能攻进城内。可黑旗军弹药几乎告罄，刘永福再次请赵建胜率人先走，赵建胜仍不答应。
法军发现西门防守薄弱，于是集中火力轮番轰击西门。防守西门的是滇军，见法军炮火猛烈，便仓皇逃走，法军蜂拥而人。防守城南的越南军队几乎没有受到任何攻击，见西门不守，也仓皇而逃。刘永福下令战至一兵一卒也要把法国人赶出城去，并赤膊上阵，要去拼命。
黄守忠等人见大势已去，内缺弹药，外无救兵，如果此时不撤出城去，法军包围上来，便有全军覆没的危险，于是劝道：“我等亲眼所见，刘将军一心抗敌，无奈法夷炮火太猛，西门已被攻破，再守下去也是枉送性命。”
此时，唐景嵩的亲兵也来报告，说唐大人已出城。
赵建胜示意手下架起刘永福就走。
刘永福不甘心，大呼道：“让我战死在山西城下，弃城而走，我没法向左大人交代。”
撤出山西城，刘永福决定率军到兴化布防，赵建胜则必须回龙州复命。刘永福一脸惭愧道：“赵将军见笑了，没想到山西城在我手里这么快就丢了。”
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