Đến Đà Nẵng, ngày 20 tháng 4 năm 1859, De Genouilly liền cho quân tấn công dữ dội đồn Điện Hải. Tướng Nguyễn Tri Phương cho quân đánh trả quyết liệt, nhưng vì vũ khí của đối phương quá mạnh nên đồn mất.

Trận chiến ngày 8 tháng 5

Ngày 8 tháng 5 năm 1859, tướng De Genouilly chia quân ra làm ba mũi tiến công. Cánh hữu của Raynaud với hơn 700 quân, tấn công các đồn Du Xuyên, Hải Châu, Thạc Gián, Phước Ninh. Cánh tả của Faucon với hơn 400 quân, tấn công đồn Thạc Gián, Phước Ninh. Cánh giữa do Đại tá Lanzarote (Tây Ban Nha) chỉ huy, chi viện cho hai cánh tả, hữu. Theo cánh quân này là Bộ Chỉ huy Hành quân do tướng De Genouilly thống lĩnh, với quyết tâm thắng nhanh, để hòng xoay chuyển tình thế.

Quân Việt dựa vào chiến lũy chống trả kịch liệt, nhưng trước hỏa lực mạnh, số lính thương vong nhiều. Tổng thống quân thứ Nguyễn Tri Phương buộc phải cho quân rời bỏ phòng tuyến thứ nhất với các đồn lớn như Du Xuyên, Thạc Gián, Hải Châu rút về cố thủ ở phòng tuyến thứ hai với các đồn Liên Trì, Nại Hiên và Nghi Xuân...

Ngược lại, cánh quân tấn công vào Thạc Gián và hai đồn thượng và hạ ở Hải Châu đã bị đạo quân ứng nghĩa, do Phạm Gia Vĩnh lãnh đạo, hiệp cùng với đạo quân triều đình, do Nguyễn Song Thanh và Đào Thị chỉ huy, đánh cho tan tác phải tháo chạy về bán đảo Sơn Trà.

Kết thúc, bên quân Việt mất 3 đồn lớn cùng 54 khẩu đại bác các loại, Hiệp quản Phan Hữu Điển và rất nhiều binh sĩ tử trận.

Bên liên quân, theo lời tường thuật của Bizancourt, thiệt mạng trên 100 người.[3]

Đây là trận đối đầu lớn nhất kể từ trước đến giờ ở mặt trận Đà Nẵng.

Trong khoảng thời gian đó, ở châu Âu chiến tranh giữa Pháp - Sardegna với Áo đang đến hồi dữ dội. Còn ở phương Đông bỗng có tin đồn quân Pháp ở Đà Nẵng sắp bị Hải quân Anh tiêu diệt. Mặt khác, do thời tiết khắc nghiệt, nên dịch bệnh thêm hoành hành, làm cho số lính viễn chinh bị chết bệnh tăng từng ngày... Tất cả đã khiến tướng De Genouilly bối rối và than rằng: Dù sao đi chăng nữa, thì cuộc viễn chinh này cũng phải đi đến một kết thúc nào đó, nếu không chúng tôi sẽ không còn đủ kiên nhẫn để chờ đợi nữa... (Trích báo cáo, Tuorane, ngày 22 tháng 5 năm 1859).

Và tính đến lần tấn công này (8 tháng 5 năm 1859), tức sau 9 tháng xâm lược, liên quân chỉ chiếm cứ[4] được bán đảo Sơn Trà và đồn Đông ở Đà Nẵng.

Liên quân xin nghị hòa

Vì gặp khó khăn, lại thêm bên chính quốc (Pháp) không thể chi viện được nữa, nên Bộ Hải quân Pháp đã đề ra một kế sách khác, được mệnh danh là "sự chinh phục bằng những gói nhỏ" (conquête en petis paquets).[5] Để dọn đường cho kế hoạch xâm lược này, nhà cầm quyền Pháp đã ra lệnh cho tướng De Genouilly phải chủ động xin "hòa nghị" với vua nhà Nguyễn.

Nhưng để hòa nghị với cái thế mạnh, De Genouilly đã phái tàu chiến đi bắn phá bãi Cam ở Bình Định và pháo đài Hổ Cứ, thiêu hủy tàu thuyền của triều đình và nhân dân ở vùng biển Quảng Bình, Quảng Trị. Đến ngày 20 tháng 6 năm 1859, De Genouilly mới đưa ra ba yêu sách cho việc hòa nghị, gồm: tự do truyền đạo, tự do buôn bán và mở nhượng địa.

Việc "hòa nghị" đã gây nhiều cuộc tranh cãi trong nội bộ triều đình Huế. Cuối cùng, chủ trương "lấy chủ đợi khách, nên dùng kế trì cửu để đợi cho họ mỏi", hay còn gọi là "thủ để hòa" thắng thế.[6] Tướng Nguyễn Tri Phương được vua Tự Đức cử đi lo việc thương thuyết. Nhưng suốt hai tháng 7 và 8 năm 1859, cuộc hiệp thương không đạt được kết quả nào.

Ngày 7 tháng 9 năm 1859, nhận được viện quân từ Pháp sang, dù chẳng được bao nhiêu, tướng De Genouilly lấy cớ vì triều đình Huế không có thiện chí hòa đàm nên Pháp phải cắt đứt cuộc hòa nghị, và sai thiếu tá Déroulède vạch ra kế hoạch đánh chiếm các cứ điểm của quân Việt.

Trận chiến ngày 15 tháng 9

Đúng 4 giờ sáng ngày 15 tháng 9 năm 1859, ba cánh quân Pháp và Tây Ban Nha đồng loạt tấn công vào phòng tuyến quân Việt.

Cánh hữu của Pháp do Reybaud chỉ huy chạm súng với khoảng 2.000 quân Việt. Đang có nguy cơ bị đẩy lùi, thì nhờ có đội quân của Breschin kịp thời ứng cứu nên liên quân đảo ngược được tình thế. Tham tán Phạm Thế Hiển phải cho quân rút khỏi đồn Liên Trì và đồn Phước Ninh, tập kết ở đồn Chân Sảng để ngăn chặn đối phương tiến ra Huế.

Cánh quân bên tả do Đại tá Lanzarote chỉ huy tiến đánh đồn Nại Hiên, đồn Hóa Khuê và đồn Mỹ Thị. Do hàng ngũ rối loạn, đồn Nại Hiên lọt vào tay liên quân, nhưng quân Việt vẫn làm chủ được đồn Mỹ Thị và Hóa Khuê.

Tướng Nguyễn Tri Phương tập họp số quân còn lại của phòng tuyến Liên Trì-Nại Hiên rút về Hải Vân, lập phòng tuyến mới, đề phòng liên quân tiến đánh kinh đô. Quân Pháp dùng pháo khống chế việc rút quân, nhưng không thành công.

Bị thiệt hại nặng về người và của, chỉ huy mặt trận là Nguyễn Tri Phương cùng hai cộng sự là Phạm Thế Hiển và Nguyễn Hiên đều dâng sớ xin chịu tội. Vua Tự Đức sai Phan Thanh Giản ra Quảng Nam, tuyên chỉ xử chém Hồ Văn Đa, Lê Văn Nghĩa, Đoàn Văn Thức về tội đã bỏ đồn tháo chạy; còn Nguyễn Tri Phương, Phạm Thế Hiển, Nguyễn Hiên đều phải tội cách lưu.[7]

Phía liên quân, sau trận đánh này, số binh lính chết vì chiến trận[8] và dịch bệnh càng thêm nhiều, khiến ai nấy đều chán nản, kiệt quệ...

Nhận thấy cuộc chiến ngày càng gay go, không có hồi kết, nhân lúc bị ốm đau, tướng De Genouilly xin về Pháp dưỡng bệnh. Bộ Hải quân Pháp cử Thiếu tướng François Page sang thay thế.

Trận chiến ngày 18 tháng 11

Ngày 1 tháng 11 năm 1859, tướng Page đến Đà Nẵng và việc làm đầu tiên của ông là, một mặt vẫn tiếp tục thương thuyết (nhưng trong yêu sách không còn đòi nhường đất nữa), mặt khác cho chuẩn bị mở một cuộc tấn công lên phía bắc Đà Nẵng (trên đường đến Huế), chứ không tìm cách đánh sâu vào nội địa Đà Nẵng – Quảng Nam như người tiền nhiệm.

Ngày 18 tháng 11 năm 1859, Page điều động soái hạm Néméris và hai tàu chiến, tập trung đại bác bắn vào pháo đài Điện Hải và đồn Chân Sảng dữ dội. Đại bác quân Việt rộ lên đáp trả, một quả đạn rơi trúng soái hạm đã giết chết Đại tá Dupré Déroulède (người vạch kế hoạch đánh Đà Nẵng) và làm cho một số binh sĩ bị thương. Tướng Page ra lệnh pháo kích tới tấp rồi sai Desaulx dẫn 300 quân chiếm đồn Chân Sảng, đẩy quân Việt lui vào trong núi.

Tin chiến sự báo về, vua Tự Đức lệnh cho Thống chế Nguyễn Trọng Thao đem quân từ đèo Hải Vân đánh lấy lại đồn Chân Sảng. Nguyễn Hiên và Trần Đình Túc đóng ở các đồn Câu Đê và Hóa Ổ cũng được lệnh đem quân đánh phối hợp. Liên quân không chống nổi, bỏ đồn Chân Sảng xuống tàu chiến thoát ra khơi vào tháng 1 năm 1860.

Bộ Hải quân Pháp cho rằng cuộc tấn công trên là không cần thiết và đã gây tử vong nhiều thuộc cấp giàu kinh nghiệm, nên tướng Page bị khiển trách và giáng cấp. Tháng 2 năm 1860, Page rời Đà Nẵng vào Sài Gòn với nhiệm vụ mới. Liên quân chỉ còn lại một số đóng giữ Sơn Trà, An Hải, Điện Hải... và chẳng còn làm được gì.

Rút khỏi Đà Nẵng

Nhân việc người Pháp 2 lần phải đổi chủ tướng và cố sức chiếm giữ con đường tiến về kinh đô, tướng Nguyễn Tri Phương đã có sớ chuyển về kinh:[9]

Quân Pháp hiện nay đã có thủy bộ nương nhau. Mình muốn đánh thắng họ bằng đường thủy hay đường bộ đều là việc không nên cả. Vả súng đại bác của Pháp rất tinh xảo, người lính Pháp trong các trận giao phong vừa rồi với ta tỏ ra rất can đảm. Trái lại quân ta có nhiều kẻ sợ sệt, lạ nước lạ non, sức chiến đấu rất kém. Với tinh thần và thực lực ba quân như thế, giữ thủ chưa xong, huống hồ là tấn công địch. Vậy xin Thánh thượng cho phép hạ thần chia quân đội đóng giữ các thành trì và đồn lũy, còn dư bao nhiêu dùng lối mai phục đánh úp quân Pháp. Phải tổ chức ngay công cuộc phòng thủ để đủ thời giờ xếp đặt.

Tuy nhiên vua Tự Đức trách ông "sợ oai giặc" và gieo vào dân chúng sự lo lắng hãi hùng. Ông phải dâng biểu tạ tội. Sau đó Nguyễn Tri Phương tiếp tục xây thêm đồn lũy, ngày đêm chăm lo việc phòng thủ Đà Nẵng. Cuối cùng đến ngày 22 tháng 3 năm 1860, số liên quân kia cũng rút đi hết, sau khi phá hủy tất cả pháo đài và công sự.

Về đến Gia Định, tướng Page để lại một ít quân cho Đại tá D'Ariès trấn giữ Gia Định còn phần lớn binh thuyền ông đem lên phía bắc hiệp quân nước Anh để sang đánh Trung Quốc. Triều đình Huế thấy quân Pháp rút khỏi Đà Nẵng bèn cử Nguyễn Tri Phương, Phạm Thế Hiển vào Nam, sung vào quân thứ Gia Định.