Năm 1873, Soái phủ Nam Kỳ phái Francis Garnier đem quân ra Hà Nội, lấy cớ giúp thương nghị sự tranh cãi giữa tay lái buôn Jean Dupuis và chính quyền nhà Nguyễn ở Bắc Kỳ. Thoạt tiên Đô đốc Dupré định đưa ra hai ngàn quân, tuy nhiên việc phái một lực lượng quân sự lớn như vậy gây nghi ngờ từ phía triều đình Huế. Kết cục là đại úy Garnier thuyết phục đô đốc Dupré là chỉ cần vài chục binh sĩ tinh nhuệ là đủ. Trên giấy tờ, Garnier có lệnh điều tra tình hình tranh cãi giữa Dupuis và nhà đương cục, trục xuất Dupuis khỏi Bắc kỳ sau khi đã thu xếp bồi thường thiệt hại cho ông ta. Tiếp đó Garnier phải buộc nhà đương cục chấp thuận mở cửa thông thương tuyến đường thủy sông Hồng, đặt trạm thuế quan và dùng tiền thuế thu được để hoàn trả phí tổn cuộc viễn hành. Tuy nhiên thực tế là Garnier đã rất hoan hỉ viết thư cho anh trai "Tôi có toàn quyền hành động! Nước Pháp tiến lên!"[9]

Garnier chuyển quân ra bắc thành hai đợt, đợt đầu 83 lính, đợt hai thêm 88 lính và hai pháo thuyền[9] (kể cả số thủy thủ và thủy binh). Tới ngày 5 tháng 11 ông ta đã đến Hà Nội trên tàu hơi nước của Dupuis, do Dupuis đi đón dọc đường. Cộng với thuộc hạ của Dupuis, gồm có 10 người Âu, 30 người Á, 150 lính đánh thuê Vân Nam và một số lính Cờ vàng, Garnier chuẩn bị đánh chiếm thành Hà Nội sau khi nhận thấy các yêu sách của mình không đe dọa được Nguyễn Tri Phương.

Đêm ngày 19, rạng sáng ngày 20 tháng 11 năm 1873, Garnier đánh úp thành Hà Nội. Quân Pháp bất ngờ đánh chiếm vòng phòng thủ bên ngoài của hai cửa phía nam, và vượt qua cầu trước khi quân trú phòng kịp bắn xuống. Đồng thời, pháo từ các pháo thuyền cũng bắn lên, khiến cho binh lính phòng thủ, do không quen với đạn pháo, bỏ chạy tán loạn khỏi thành theo cửa tây. Cùng lúc đó, hỏa lực quân Pháp cũng bắn vỡ cửa nam, và chỉ trong một giờ, quân Pháp đã treo cờ tam tài lên vọng lâu thành Hà Nội. Hơn hai nghìn quân triều đình bị bắt làm tù binh, về phía quân Pháp, chỉ có một người lính đánh thuê Vân Nam của Dupuis bị giết do một viên sĩ quan Pháp bắn nhầm[10].

Con trai Nguyễn Tri Phương là Phò mã Nguyễn Lâm bị trúng đạn chết tại trận[11], Nguyễn Tri Phương cũng bị trọng thương. Ông được lính Pháp cứu chữa, nhưng ông khẳng khái từ chối và nói rằng: "Bây giờ nếu ta chỉ gắng lây lất mà sống, sao bằng thung dung chết về việc nghĩa"[12] Sau đó, ông tuyệt thực gần một tháng và mất vào ngày 20 tháng 12 năm 1873 (1 tháng 11 Âm lịch), thọ 73 tuổi. Thi hài ông và Nguyễn Lâm được đưa về an táng tại quê nhà. Đích thân vua Tự Đức [13] tự soạn bài văn tế cho ba vị công thần (Nguyễn Duy, Nguyễn Lâm, Nguyễn Tri Phương) và cho lập đền thờ Nguyễn Tri Phương tại quê nhà.