Tới Hà Nội, Garnier được người của Dupuis tiếp đón nồng nhiệt, trong khi chính quyền Hà Nội chỉ sai một nha lại ra bến tàu Hà Nội để hướng dẫn đoàn người của F.Garnier đến các dãy nhà ngoài phố bên ngoài thành Hà Nội trú đóng. Không hài lòng về cách tiếp đón của chính quyền Hà Nội cho nên F.Garnier đích thân kéo quân đi thẳng tới cửa thành yêu cầu được gặp mặt quan Tổng đốc Nguyễn Tri Phương. Trưởng đồn canh phải mở cửa thành cho Garnier và thuộc hạ kéo vào. Khâm mạng Nguyễn Tri Phương, Bố chính Võ Đàng, Lãnh binh Nguyễn Đăng Nghiễm ra trú quán chờ F.Garnier đến hội kiến. F.Garnier phản kháng là các chức quyền Hà Nội tiếp đãi không đúng nghi thức và yêu cầu để người của mình được vào ở bên trong thành Hà Nội. Tổng đốc Nguyễn Tri Phương phải ra lệnh dọn dẹp nơi Trường thi cho đoàn người của F.Garnier trú đóng.[7].

Có những đám cháy nhà ngoài phố gần nơi trú đóng và kho chứa hàng, cất giữ súng đạn của J.Dupuis. Dupuis báo với F.Garnier là chức quyền Hà Nội ngầm cho người thiêu hủy những kho chứa hàng nầy. F.Garnier liền cho thủ hạ đi điều tra nhưng không tìm thấy chứng cớ gì để quy trách chức quyền Hà Nội về những đám cháy. Đồng thời ông gởi thư yêu cầu Nguyễn Tri Phương phải trả tự do ngay cho trưởng đồn canh đã mở cổng thành Hà Nội cho F.Garnier đi vào khi chưa có lệnh của cấp trên. Nguyễn Tri Phương không đáp ứng yêu cầu của F.Garnier và, ngược lại, theo lệnh của triều đình Huế, Nguyễn Tri Phương yêu cầu F.Garnier phải thi hành nhiệm vụ trục xuất đoàn người của Dupuis, việc tự do thông thương buôn bán thì cần phải chờ kết quả của cuộc hội nghị giữa triều đình Huế và chính quyền Pháp ở Sài Gòn.[8]

Để làm áp lực, F.Garnier liền dàn quân của mình trước cửa thành và thông báo cho cho J.Dupuis đưa thủ hạ đến bố trí trước một cửa thành khác. Tới ngày 9 tháng 11 năm 1873, F.Garnier cử tàu Mang Hào đi gọi tăng viện thêm quân hiện có mặt trên đoàn tàu chiến còn thả neo ngoài cửa Cấm.

Nguyễn Tri Phương chịu trả tự do cho trưởng đồn canh nhưng F.Garnier lại gởi một tối hậu thư bắt buộc các giới chức An Nam phải để cho toàn miền Bắc Kỳ được tự do thông thương buôn bán và hạn chót thi hành tối hậu thư nầy là buổi chiều ngày 11 tháng 11 năm 1873 (tức 22 tháng 10 âm lịch năm Quý Dậu, niên hiệu Tự Đức thứ 26) [9]. Ngày 10 tháng 11 năm 1873, F.Garnier gia hạn thi hành tối hậu thư đến ngày 14 tháng 11 năm 1873, tuyên bố rằng quá hạn nầy ông sẽ tự ý tuyên bố quyền tự do thông thương ở Bắc Kỳ.

Ngày 12 tháng 11 dl 1873, pháo thuyền Espignole từ Sài Gòn được lệnh của thống đốc Nam Kỳ ra Hà Nội thay thế tàu chiến Arc đã bị chìm ngoài khơi do bão. Vào lúc 9 giờ đêm cùng ngày, tàu Mang Hào từ cửa Cấm quay về Hà Nội mang theo 60 quân lính dưới quyền điều động của phó thuyền trưởng tàu Décrès tên là Bain cùng với 2 chuẩn úy hải quân Perrin và Hautefeuille.

Ngày 13 tháng 11 dl 1873, chiến thuyền Scorpion từ Hồng Kông được lệnh đến cửa Cấm rồi vào ngay Hà Nội để yểm trợ hỏa lực cho F.Garnier. Sau khi tàu chiến cùng binh lính tụ hợp đầy đủ ở Hà Nội, F. Garnier liền phái tàu D' Estrées đi Hồng Kông để tuyên cáo việc thiết đặt quyền tự do thông thương trên lãnh thổ Bắc Kỳ kể từ ngày 15 tháng 11 năm 1873.

Ngày 19 tháng 11 năm 1873, Garnier gởi tối hậu thư ra lệnh cho quan binh trong thành Hà Nội phải hạ vũ khí đầu hàng và nộp thành.[10]. Garnier vạch kế hoạch đánh chiếm thành, theo đó lúc 6 giờ sáng ngày 20 tháng 11, các pháo thuyền Scorpion và Espignole dưới sự chỉ huy của thuyền trưởng Balny d' Avricourt bắt đầu pháo kích vào hai cửa thành phía Bắc và phía Đông cùng các cơ sở chính quyền trong thành Hà Nội; đặc biệt tập trung pháo kích hương về doanh trại chỉ huy của khâm sai đại thần Nguyễn Tri Phương, dinh phủ của Tổng đốc Hà Nội và cột cờ. Tới 6:30, quân Pháp ngừng pháo kích.

Garnier cùng phụ tá De Trentinian chỉ huy 25 thủy bộ binh với hai khẩu sơn pháo phối hợp với các thủy thủ của phó thuyền trưởng Esmez tấn công cửa thành số 2 phía Nam và bắt liên lạc với cánh quân của Bain cùng với 2 phụ tá Hautefeuille và Perrin sau khi cánh quân nầy tấn công phá cửa thành số 1 phía Đông. Cả hai toán quân nầy tổng cộng gồm 90 người.

Dupuis bố trí quân và thủ hạ của mình sát gần cửa thành phía Đông trong giai đoạn bắn phá của 2 pháo thuyền. Ngay sau khi ngưng pháo kích, toán binh lính đánh thuê Trung Quốc và các thủ hạ của ông ta sẽ chiếm đóng lầu canh hình bán nguyệt nơi cổng thành phía Đông rồi đóng chốt ở phía Bắc chận giữ đường rút lui tháo chạy của quan binh triều đình.

Ngày 20 tháng 11 năm 1873 (tức năm Tự Đức thứ 26, ngày 1 tháng 10 Quý Dậu), từ lúc 5 giờ sáng, lực lượng phối hợp do Francis Garnier và Jean Dupuis chỉ huy chuẩn bị lần cuối trước khi tấn công vào thành Hà Nội.

Đúng 6 giờ sáng, hai pháo thuyền trên sông Hồng từ khoảng cách 1.200m bắt đầu bắn phá vào thành Hà Nộị, tới 6:30, cuộc pháo kích ngưng. Toán quân của Dupuis chiếm đóng cổng thành phía Bắc, trong khi đích thân Dupuis chỉ huy một toán quân chiếm đóng lầu canh hình bán nguyệt và mở cổng thành[11]. Đội quân đặc nhiệm của Garnier chia thành hai cánh: cánh quân thứ nhất do phó thuyền trưởng Bain de la Coquerie chỉ huy 30 binh sĩ kèm theo một khẩu sơn pháo lấy từ tàu chiến Decrès kéo tới dàn trận trước cổng thành phía Tây-Nam để nghi binh, giả tấn công vào mặt nầy nhằm đánh lạc hướng quan binh trong thành. Cánh quân thứ hai gồm có 27 thủy bộ binh do chuẩn úy Trentinian chỉ huy và nột đội thủy quân biệt phái 29 người do phó thuyền trưởng Esmez chỉ huy, cùng với 3 khẩu trọng pháo và 19 binh sĩ trừ bị của tàu Decrès, có nhiệm vụ tấn cổng vào thành ở cửa Đông-Nam. Trại đóng quân nơi Trường Thi do 10 binh sĩ canh giữ dưới quyền chỉ huy của kỹ sư Bouiller.

Garnier dẫn đầu toán quân thứ hai tấn công mặt Đông-Nam. Tháp canh mặt nầy bị chiếm ngay sau khi cổng thành bị phá vỡ, toán quân của Garnier tràn vào thành mà chỉ gặp những sức kháng cự yếu ớt không gây thiệt hại nào đáng kể. Đích thân khâm sai Nguyễn Tri Phương đứng trên tháp canh để đốc thúc binh sĩ chống trả dù đã bị bắn trọng thương ở bụng nhưng chỉ sau một giờ giao chiến, quan binh triều đình tan rã, thành Hà Nội bị quân Pháp chiếm.