Ngày 30 tháng 7 năm 1883, tại Hải Phòng, Harmand tổ chức một hội nghị quân sự quyết định đánh Huế (trung tâm chính trị) và Sơn Tây (trung tâm kháng chiến), nhằm làm nhụt ý chí và hy vọng của nhà Nguyễn.

Đầu tháng 8, viện binh của Pháp được đưa từ Pháp, Tân Đảo đã tới Hà Nội, kết hợp với lực lượng bổ sung từ Sài Gòn ra, làm lực lượng của Pháp ở đây lên tới 4500 quân. Theo kế hoạch tháng 7, tướng Bouet sẽ chỉ huy quân Pháp ở Hà Nội đánh lên Sơn Tây. Harmand muốn tiến đánh Sơn Tây bằng đường thủy sông Hồng ngay, nhưng Bouet lại chủ ý trước hết tấn công mở rộng vòng vây ở Hà Nội trên hướng Sơn Tây, phá vỡ phòng tuyến phủ Hoài trước, và ông ta đã thực hiện theo hướng này.

Ngày 15 tháng 8, tướng Bouet muốn giành lại thế chủ động đã bị mất sau trận Cầu Giấy, đã chỉ huy 2000 quân với 14 đại bác [1], cùng với 450 quân Cờ Vàng tạo thành một lực lượng khoảng 2500 quân, chia làm 3 đạo bộ binh, phối hợp với hạm đội tàu thủy (Hạm đội Bắc Kỳ) trên sông Hồng tấn công vào phòng tuyến Phủ Hoài.

• Đạo cánh phải do đại tá Bichot chỉ huy, được 6 hạm tàu (Pluvier, Leopard, Fanfare, Éclair, Mousqueton và Trombe) yểm hộ trực tiếp, tiến dọc theo bờ đê sông Hồng, đánh lên Chèm
• Đạo trung tâm do Paul Coronnat chỉ huy, từ thành Hà Nội qua làng Yên Thái, đánh tới làng Nội (làng Noi tức Cổ Nhuế).
• Đạo cánh trái do Révillon chỉ huy, từ Cầu Giấy tiến theo đường Hà Nội-Sơn Tây (theo đường Henri Rivière đã hành quân trong trận Cầu Giấy), tấn công lỵ sở phủ Hoài Đức và làng Vòng (Dịch Vọng Hậu phía sau phủ Hoài) nơi có đại bản doanh của Lưu Vĩnh Phúc. Đạo này xa bờ sông Hồng, các pháo hạm không yểm hộ được nên phải kéo theo nhiều đại bác.