Charles Rigault de Genouilly, hình chụp khoảng năm 1870.

Sau mấy tuần chuẩn bị và sau khi nghe Đại tá Crouzat phúc trình công tác thám thính Đại đồn xong, 4 giờ sáng ngày 24 tháng 2 năm 1861, được lệnh của Đề đốc Charner, đại bác của Pháp từ "phòng tuyến các chùa" và trên các tàu đều nhắm vào Đại đồn Chí Hòa mà bắn. Đại bác của quân Việt từ Đại đồn rộ lên đáp trả. Hai bên đánh nhau bằng đại bác tới sáng.

Từ vùng chùa Cây Mai, Đề đốc Charner, Thiếu tướng De Vassoigne và Đại tá Palanca (Tây Ban Nha) dẫn quân tiến lên cùng với pháo nhẹ. Quân Việt trong đồn Hữu bắn cản lại. De Vassoigne và Palanca đều bị thương. Đại bác Pháp liền bắn khoảng 500 phát vào đồn Hữu, rồi cho bộ binh tấn công chiếm đồn. Phía Việt cho voi xông ra ứng chiến, nhưng đội quân voi tỏ ra không mấy hiệu quả trước đại bác, súng trường…

Hai bên đánh nhau đến tối, nhưng Pháp chỉ mới tiến được một cây số, còn hai cây số nữa mới đến được Đại đồn. Đêm đến, hai bên đều ngưng chiến. Năm giờ sáng hôm sau, quân Pháp tràn lên tấn công, xáp được gần Đại đồn. Song cách vách thành trăm thước thì gặp rất nhiều cạm bẫy, hào ụ, nên tiến rất chậm. Quân Pháp lúc này bị bắn chết và bị thương rất nhiều.

Tuy vậy, quân Pháp vẫn quyết dùng thang và đứng trên vai nhau mà trèo lên vách đồn. Trên đồn và trong các lỗ châu mai, quân Việt bắn chém dữ dội. Phần lớn các thang tre của Pháp vác theo đều bị đánh gãy, nhưng cuối cùng vẫn có một số lính Pháp vào được Đại đồn. Hai bên xông vào đánh giáp lá cà, giành giật nhau từng khu vực một.

Chống chọi được một lúc, tướng Nguyễn Tri Phương bị mảnh đại bác trúng bụng, phải ra lệnh rút quân về đồn Thuận Kiều. Ngày 28 tháng 2, Pháp tấn công Thuận Kiều, Đại tá Crouzat bị thương, nhưng quan quân phải bỏ đồn Thuận Kiều, bỏ cả đồn Tây Thới mà chạy tán loạn về Biên Hòa, mất hầu hết khí giới và lương thực. Riêng Trương Định rút về Gò Công tiếp tục kháng Pháp...[5]

Sĩ quan tham dự trận là Trung úy Hải quân Pháp Léopold Pallu kể:

Bốn giờ sáng ngày 24 tháng 2 năm 1861, quân Pháp được lệnh tập họp. Đến 5 giờ 30 phút, đoàn quân bắt đầu lên đường. Khi ấy, pháo binh từ các chùa Barbet (chùa Khải Tường), Chochetons,[7] Cây Mai đã bắn được một giờ rồi; và các toán quân Việt cũng đã kéo nhau dàn ra các ngả đường để phòng ngự.(Trên đường), đại pháo do ngựa kéo bất thần nhả đạn vào đồn Redoute (sử Việt ghi là Đồn Hữu). Đối phương lập tức đốt khói để che và mặc dầu súng nhỏ và các điều kiện quân sự thua thiệt, họ vẫn kháng cự quyết liệt... Pháo binh chịu trận trước tiên; chỉ trong vài phút, nhiều pháo thủ và ngựa bị trúng đạn… mặc dù tầm đạn của ta chính xác, liên tục và ưu thế hơn, nhưng sức kháng cự của bọn An Nam không bị đánh tan cũng không nao núng chút nào.Thương vong của ta tăng lên; Đại tướng[8] de Vassoigne, Đại tá Tây Ban Nha Palanca Gutierrez, Chuẩn úy Lesèble và Thượng sĩ Joly bị thương nặng. Thủy sư Đề đốc (Léonard Charner) bèn trực tiếp cầm quân và ra hiệu lệnh... Khi các quân lính Pháp đầu tiên nhảy được vào bên trong, trên các bệ bắn phía sau tường, thì họ thấy quân An Nam thối lui mang theo giáo mác, súng lớn và súng tay của họ. Quân An Nam lùi lại một bước thế thôi, gần như thản nhiên, giống như những người thợ đang làm việc rồi ngưng tay; thật quả là lạ lùng, mặc dù tình thế cấp bách vì cả một đạo quân đang trèo lên tường để tràn vào; chỉ có một số thật ít bỏ chạy mà thôi. Trong mấy phút sau là họ rút về phía đại quân có cờ đuôi nheo phấp phới bên trong thành Kỳ Hòa.Trong trận đánh ngày 24 tháng 2 này, quân An Nam chấp nhận đối đầu bằng đại pháo với ta tuy họ yếu kém nhưng không thấy lòng can trường của họ bị sứt mẻ hay nao núng một chút nào cả: nhiều xác chết rải rác dọc theo tường phòng thủ cho thấy hiệu quả của súng nòng có khía của ta. Nhưng khi quân ta xung phong, tiến thẳng vào họ, thì họ thối lui nhưng không chạy, khoảng cách vẫn còn nhìn thấy nhau. Chuyện này cũng thấy ghi trong các phúc trình về những trận đánh trước đây ở Sài Gòn và Touranne.[9]...Suốt đêm đó thật yên lặng, hai bên không có một tiếng súng nào. Năm giờ sáng (ngày 25 tháng 4), pháo binh lên ngựa, mỗi người đều vào hàng ngũ của mình... Mười giờ tất cả đạo quân đã vào vị trí, cách xa mặt bắc của thành Kỳ Hòa khoảng hai cây số. Hai cánh quân đánh bộ hai bên, giữa là pháo binh. (Khi hai bên) thôi đánh chiêng và cũng ngưng đánh trống, các đại pháo trong thành Kỳ Hòa bắn ra, vang rền, tiếng nổ của súng địch có cường độ giống nhau nên rất dễ nhận, tiếng các quả đạn xé gió rít lên rồi im bặt, không có một tiếng động nào khác......Tiếng súng của đối phương, lúc đầu thưa thớt, dần dần nhặt hơn. Súng bắn mạnh và chính xác, nhất là về hướng bắn thì rất đúng. Quân An Nam có lợi thế hơn vì mặt trời chiếu thẳng vào mắt quân Pháp. Pháo binh vừa đạt vị trí 1.000 thước đã thấy có thiệt hại. Ðã có người và ngựa chết hoặc bị thương; một xe tải đạn có một bánh xe vỡ tan tành từng mảnh. Trung tá Crouzat thúc quân kéo súng rất nhanh đến vị trí 500 thước, rồi 200 thước; ở vị trí gần này tránh bớt được nhiều bất lợi do bị mặt trời chiếu vào mắt... Hai bên bắn nhau kịch liệt... Trên ruộng không có chỗ nào ẩn núp, chỉ biết đưa thân cho súng đạn. Thiệt hại đã khá rõ. Chỉ còn biết lợi dụng vào chiến thắng vừa đạt được hôm qua khích động quân sĩ để họ xông lên... Thủy sư Đề đốc (Léonard Charner) ra lệnh cho hai cánh quân tiến lên.Sau khi vượt qua được 6 hàng hầm chông và 2 hào sâu, quân Pháp đến được bờ đất dựa tường thành thì hai bên lại đánh nhau kịch liệt nhất, chưa từng thấy giữa người An Nam và người Âu châu. Quân sĩ nào mà leo lên được tường thành, thì hoặc dùng thang, hoặc trèo lên vai các đồng đội, hoặc níu vào các cọc thấp của các bàn chông, họ bị bắn ngay trước mặt, hoặc bị nồi lửa của địch ném phỏng mặt mày, hoặc bị giáo đâm lọt ra ngoài. Những người trèo lên trước nhất trên tường thành, và trước khi bị đánh bật trở xuống, đều thấy một cảnh tượng khác hẳn khi trèo lên tường ngày hôm trước: bên trong trên bệ đứng bắn đầy lính phòng ngự, kẻ thì mang súng dài, kẻ thì mang giáo hay súng ngắn, rình quân ta bên ngoài trèo vào...Ngay vào lúc ấy, tình thế trở nên nghiêm trọng, thì có lệnh ném lựu đạn. Hai mươi quả được ném ra... (Rồi) ba lính thủy ném được móc câu dính cứng phía bên trong của tường thành. Bọn quân An Nam tháo gỡ không được vì vướng chà gai... Ba quân lính chui qua trước, một thuộc tàu Renommée, bị giết ngay; hai người kia thì bị thương. Cả ba bị xô ngược ra phía sau và rớt xuống hào. Quân lính khác theo sau, trèo lên tường rồi nhảy xuống thềm đứng bắn bên trong, thềm thì trơn trợt vì máu me linh láng. Dọc chân tường la liệt xác quân An Nam bị giết vì mảnh đạn bộc phá hay bị bắn.Quân An Nam ngưng đánh vì thấy rào gai bị phá thủng, rút xa vài phút trước khi quân Pháp ập vào, họ rút lui rất trật tự, thật chậm dọc theo bờ tường thành. Một nhóm quân lính của ta rượt theo, nhưng không ăn thua gì; vì địch quân rút hết vào một lớp thành khác trước khi quân Pháp đuổi tới...(Khi liên quân theo vào, giao tranh đã xảy ra càng ác liệt)... vì thế trong cái khoảng trống thảm thương này ngập tràn xác chết và bị thương... (Cuối cùng) tất cả quân An Nam người nào chạy không kịp đều bị giết sạch; trận chiến chấm dứt bằng một cảnh tượng tàn sát...[6]