Năm 1856, chiến thuyền Catinat vào cửa Đà Nẵng rồi cho người đem thư lên trách triều đình Đại Nam về việc giết giáo sĩ Công giáo. Không được trả lời, quân Pháp bắn phá các đồn lũy rồi bỏ đi. Có Giám mục Pellerin trốn được lên tàu về Pháp, thuật lại cho triều đình Pháp cảnh các giáo sĩ Công giáo bị đàn áp dã man ở Đại Nam. Pellerin nói rằng chỉ cần có loạn là các tín đồ Công giáo sẽ nổi lên đánh giúp. Cùng sự tác động của Hoàng hậu Pháp Eugénie, một người rất sùng đạo, Hoàng đế Pháp Napoléon III (1808 - 1873) quyết ý đánh Đại Nam.[16]

Năm 1858, Trung tướng Pháp là Charles Rigault de Genouilly đem tàu Pháp và tàu Tây Ban Nha gồm 14 chiếc vào cửa Đà Nẵng bắn phá rồi hạ thành An Hải và Tôn Hải.

Dù chỉ đồn trú ở Đà Nẵng, các binh sĩ ngoại quốc đã bị khuất phục với các con số đáng sợ vì mắc bệnh dịch tả, kiết lỵ và các chứng bệnh nhiệt đới khác, và một cuộc tiến quân trên nội địa bằng đường bộ hoàn toàn là điều không thực hiện được. Dòng sông Hương chảy từ Huế ra biển, nhưng chỉ có những tàu chạy ở tầm nước nông mới lưu thông được, và kém may mắn thay một số tàu chiến loại nhỏ được sản xuất đặc biệt tại Pháp cho chiến dịch tại Đại Nam lại bị phái sang Hồ Lake Garda để chống lại người Áo trong một cuộc chiến nổ ra tại miền Bắc nước Ý. Hiển nhiên việc chỉ lảng vảng ở Đà Nẵng sớm bị chứng tỏ là không đạt được một mục đích gì cả. Nhưng họ còn có thể đi đâu được nữa. Trung tướng Rigault de Genouilly đổi ý sang đánh Gia Định. Đầu năm 1859, Rigault de Genouilly dẫn quân Pháp và Tây Ban Nha vào cửa Cần Giờ, đánh thành Gia Định. Chỉ trong 2 ngày thì thành vỡ, quan Hộ đốc Võ Duy Ninh tự vận. Xong Trung tướng Rigault de Genouilly lại đem quân trở ra Đà Nẵng đánh đồn Phúc Ninh, quân của Nguyễn Tri Phương thua phải rút về giữ đồn Nại Hiên và Liên Trì.

Rigault de Genouilly bệnh phải về nước, Thiếu tướng Page sang thay. Thiếu tướng Page đề nghị việc giảng hòa, chỉ xin được tự do giảng đạo Công giáo và được buôn bán với Đại Nam nhưng triều đình Huế không đồng ý. Đến năm 1862, quân Pháp chiếm Biên Hòa và Vĩnh Long. Triều đình Huế phái Phan Thanh Giản và Lâm Duy Hiệp vào Nam giảng hòa với Pháp ngày 9 tháng 5 năm Nhâm Tuất, 1862. Trong bản hòa ước gồm 12 khoản có những khoản như sau:

• Đại Nam phải để cho giáo sĩ Công giáo người Pháp và người Tây Ban Nha được tự do giảng đạo và để dân gian được tự do theo đạo.
• Đại Nam phải nhượng đứt cho nước Pháp các tỉnh Biên Hòa, Gia Định và Định Tường và phải để cho chiến thuyền của Pháp ra vào tự do ở sông Mê Kông.

Vua Tự Đức bèn nhường ba tỉnh miền Đông Nam Kỳ cho Pháp và phái Phan Thanh Giản vào trấn giữ ba tỉnh miền Tây Nam Kỳ còn lại. Năm 1867, Phó Đô đốc La Grandière kéo quân đánh Vĩnh Long, An Giang và Hà Tiên. Phan Thanh Giản biết thế chống không nổi nên bảo các quan nộp thành trì cho bớt đổ máu rồi uống thuốc độc tự vẫn. Toàn đất Nam Kỳ thuộc về Pháp.

Năm Quý Dậu 1873, Thiếu tướng Dupré sai Trung úy Hải quân Francis Garnier đem quân tấn công thành Hà Nội. Chỉ một giờ thì thành vỡ, tướng Nguyễn Tri Phương bị thương nặng. Bị Pháp bắt, ông không cho băng bó và nhịn ăn đến chết. Trong 20 ngày, Đại Nam mất bốn tỉnh là Hà Nội, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương.

Khi ấy có Lưu Vĩnh Phúc là đầu đảng của quân Cờ Đen về hàng triều đình Huế, vua Tự Đức phong cho chức Đề đốc để phụ đánh quân Pháp. Lưu Vĩnh Phúc đem quân ra đánh thành Hà Nội. Francis Garnier đem quân ra nghênh thì bị phục kích chết ở cầu Giấy. Paris biết chuyện nên triệu Thiếu tướng Dupré về Pháp. Dupré tìm cách đỡ tội, sai Đại úy Hải quân Paul-Louis-Félix Philastre ra Hà Nội để trả lại thành và bốn tỉnh bị chiếm. Hai bên ký hòa ước năm Giáp Tuất 1874, trong đó triều đình Huế công nhận cả miền Nam là thuộc về Pháp và Pháp cũng bồi thường lại cho Đại Nam bằng tàu bè và súng ống.

Năm 1882, Thống đốc Nam Kỳ Charles Le Myre de Vilers gởi thư cho triều đình Huế nói rằng vua ngu tối, bất lực, đất nước loạn ly, Pháp phải trấn an miền Bắc để bảo vệ quyền lợi của dân Pháp. Một mặt Le Myre de Vilers gửi Đại tá Hải quân Henri Rivière ra Hà Nội, đưa tối hậu thư cho quan Tổng đốc Hoàng Diệu bắt phải hàng. Đúng 8 giờ sáng thì quân Pháp tấn công, 11 giờ thành đổ, Hoàng Diệu treo cổ tự tử.

Khâm sai Pháp ở Huế là Rheinart sang thương thuyết, trong đó đòi nước Đại Nam phải nhận nước Pháp bảo hộ và nhường thành thị Hà Nội cho Pháp. Triều đình cho người sang cầu cứu Trung Quốc. Triều đình nhà Thanh được dịp bèn gởi quân qua đóng hết các tỉnh Bắc Ninh và Sơn Tây. Quân Pháp và quân Trung Quốc giao tranh. Đại tá Henri Rivière bị quân Cờ Đen giết tại Cầu Giấy.

Sau cái chết của vua Tự Đức, các vị vua ít tuổi lần lượt được đưa lên Dục Đức, Hiệp Hòa; ngày 20 tháng 8 năm 1883 Pháp tấn công vào cửa biển Thuận An, một hiệp ước được ký kết là Hiệp ước Quý Mùi 1883 với nội dung là xác nhận quyền bảo hộ của người Pháp lên Trung Kỳ và Bắc Kỳ.