当时，马江一带水陆防军的兵力已有所加强：海军舰只十一般，江防陆军逐次增加到二十余营，还有大量自动参加战备的民众武装。清军的部署是：以十一营兵力扼守马江和船厂一带江岸；十一营长门、琯头等炮台，又以民壮近二千人协守闽安至琯头沿江两岸，十一艘舰只与法舰相持于马江江面，另以旧式战船及渔船各二十余艘分泊于罗星塔两侧。张佩纶、何如璋负责指挥马江一带水陆各军，穆图善驻陡门，何璟、张兆栋驻福州。由于清廷和战不定，前敌将领昏聩无能，水陆各军缺乏统一指挥和协同作战的周密计划，加之装备不良，弹药不足，因此，总的兵力虽然较法方优势，而战斗力却很弱。
8月22日，即法国驻北京代办谢满禄下旗离京的次日，法国政府电令孤拔消灭中国福建海军。孤拔立即进行战斗部署，决定于次日下午趁退潮船身转移方向的时候开战。当时，泊于马江的法国舰队有军舰八艘，共计一万四千五百余吨，另有鱼雷艇两艘，还有两艘军舰在金牌、琯头一带江面，阻止清军塞江封口，保障后路安全。参战法舰共有重炮七十七门，还有不少射速为每分钟六十发的哈齐开斯机关炮，兵员约一千八百人。福建海军的十一艘军舰（其中九艘为木质）共计只有六千五百吨，炮四十五门（大口径炮很少），兵员约一千一百人。从吨位、防护能力、重炮数量、兵员素质等方面比较，法国舰队显然占有优势。另一方面，孤拔“只在退潮时方攻击”的决定，对法舰非常有利。这是因为，当时用船首系泊，船身随潮水涨落而改变方向（涨潮时，船头指向下游，落潮时船头指向上游），孤拔选择落潮时开战，可使大部分中国军舰位于法舰之前方，从而暴露于敌人主要炮火之下，无法进行有力的回击。
8月23日上午8时，法国驻福州副领事向何璟投递最后通牒，限福建海军于当日下午撤出马尾，否则开战。何如璋得知后，竟然对福建海军将士封锁消息，并企图要求法方把开战日期改在8月24日，遭到拒绝后，才匆忙下令进行临战准备。
当日13时56分，孤拔趁落潮的有利时机，指挥法舰突然发起攻击。福建海军舰只未及起锚，就被敌舰第一排炮弹击沉两艘（“琛航”号和“永保”号），重创多艘。在十分不利的情况下，福建海军下层官兵英勇还击。旗舰“扬武”号（福建海军唯一的一艘轻巡洋舰）用尾炮准确地还击在它下游的法园浸略军旗舰“窝尔达”号，首发命中舰桥，击毙其引水和五名水手，孤拔仅以身免。正在这时，敌46号鱼雷艇向前猛扑，发射鱼雷，击沉了“扬武”号旗舰，但该艇也被清军岸炮击中，锅炉爆炸。“扬武”号沉没时，管带（舰长）兼舰队指挥张成擅离职守，泗水（一说乘小舟）逃跑。炮艇“福星”号离敌舰最近，在开战时就受了重伤，但它立即断锚转向，冲入敌阵，瞄准敌旗舰猛烈射击，连续命中。后遭敌舰三面围攻，火药库中弹爆炸，全艇官兵壮烈牺牲。受伤的“福胜”、“建胜”两炮艇也奋力抵抗，直至沉没。在罗星塔下游，炮艇“振威”号被刚从闽江口外赶来的一艘法国装甲巡洋舰“凯旋”号击穿，首尾均已着火，船身失去控制，随波漂向下游。但艇上官兵仍英勇奋战，直到最后被敌鱼雷击中沉没前的一刹那，还发射了最后一颗炮弹，重伤一敌舰舰长和两名士兵。
江面战斗仅进行了约半小时，福建海军十一艘舰艇全部被法舰击沉，海军将士伤亡七百余人，还损失了数十艘商船。法军仅死伤三十余人，有两艘鱼雷艇受重伤，其余为轻伤。
8月24日上午，法军部分炮艇乘涨潮上驶到福建造船厂附近，用重二十八公斤的榴弹轰击船厂，“对凡力所能及的东西，均予摧毁”。与此同时，法舰继续对马江附近的帆船、舢板进行毁灭性的破坏。
8月25日，法海军陆战队一部在罗星塔登陆，夺去三门克虏伯大炮。此后几天，法舰驶向下游，逐次轰击闽江两岸炮台。由于炮台门对准下游，不能掉转炮口回击从后方攻击的敌舰，因而全部被毁。这样，法舰得以鱼贯而出，退至马祖澳（今定海湾）。
马江战后，清廷撤销了张佩纶、张兆栋、何璟、何如璋等人在福建的任职，以左宗棠为钦差大臣督办福建军务，以福州将军穆图善和漕运总督杨昌浚（改任闽浙总督）为帮办大臣，闽中防务逐渐恢复。
马江海战的惨败，固然有舰艇“我小彼大，我脆彼坚”等客观原因，但主要是清廷妥协求和政策造成的。很明显，法国利用谈判麻痹清政府，以达到突然袭击的目的；清廷却一味求和，在军事上丧失警惕，致使马江守军仓促应战，措手不及。马尾军港形势险要，闽人张茂才就曾评论说：“天下滨海诸省，独福州海口奇险天生，当事者苟未雨绸缪，虽铁胁亦难飞渡，何至令人直捣而入哉！”清统治者唯恐有碍和谈，竟听任法舰违犯国际惯例，肆意闯入，进出无阻，沿岸炮台形同虚设。这就无异于把主动权拱手让给敌人，自己只有坐待失败的命运了。其次，前敌将领昏聩畏敌，比是招致马江战败的重要原因之一。张佩纶等明知敌人“有密据要害先发制人之意”，却借口“不敢事先张皇”，不做认真的应敌准备，甚至将舰上的炮弹也控制起来。张佩纶与何如璋，都是不懂军事，只知奉承李鸿章的昏庸官僚。8月23日，当战云密布、端倪尽露之际，仍不利用早晨涨潮移转船身的有利时机，先发制敌，而这点正是孤拔所非常恐惧的。侵略者自供：“如果他们（指福建海军）于潮水来时进攻，那地位便完全倒转，提督（指孤拔）所打算可得到好处的所有优势，都将转到他们手中去，反而对我们不利。”战斗开始以后，张佩纶竟吓得神慌意乱，晕倒在地，由随从扶起逃命。那个“只图一己口腹，不顾民生涂炭”的张兆栋，以及由于有点口才而被张佩纶赏识提拔的舰队指挥张成，也都先后逃之夭夭。由这样一群战前调度无方，临阵争相逃命的懦夫庸人指挥福建前线战事，失败是必然的。此外，北洋、南洋海军各分畛域，不予支援，对马江战局的影响也是很大的。如果当时的北洋、南洋、福建三支海军能联合起来，发挥近海作战的长处，利用法舰远道而来、补给困难的弱点，并力围攻，完全有取胜的可能。可是，淮系、湘系军阀都把自己掌握的舰队当作巩固个人权势的资本，彼此之间经常倾轧摩擦，势如水火。福建海军受优势敌人直接威胁，一再吁请支援，直隶总督李鸿竞竞以“北洋轮船皆小，本不足敌法之铁舰大兵船”，“若一抽调，旅顺必不能保”等等为由，拒绝派舰前往马江。新任两江总督曾国荃控制下的南洋海军也拒不支援，造成福建舰队孤军苦战，全军覆没。
马江海战虽然失败了，但是，广大中国军民在这次作战中表现了高度的爱国热忱，他们誓死抵抗侵略者的英雄气概，和上层统治阶级畏葸投降的可耻行径，形成了鲜明的对照。
清廷对法宣战及双方战略方针
法国远东舰队偷袭马江，清政府感到有损“天朝”体面和尊严，在主战舆沦的压力下，被迫于8月26日发布宣战诏旨，命令前线海陆各军准备对法作战。鉴于法国侵略者已把战火引向中国本土，清廷认为：“惟当一意备战，应以进兵越南，规复北圻，俾彼族不敢悉众内犯，为制敌要策。”根据“牵敌以战越为上策”这一总的指导思想，在战略上确定了沿海防御，陆路反攻的方针。为此，下令“沿海各口，如有法国兵轮驶入，著即督率防军，合力攻击，毋任蔓延。其陆路各军，有应行进兵之处，亦即迅速前进”。同时，公开表示支持黑旗军首领刘永福，“著以提督记名简放，并赏戴花翎，统率所部，出奇制胜，将法人侵占越南各城，迅图恢复”。
清廷宣战后，法国为了能够继续利用香港等“中立”口岸作为基地，并取得英、美等国的煤和食品等物资供应，因而没有正式宣战。同时，法国再次从政治上对清政府进行诱降活动，由总税务司英人赫德为拉线人，大搞幕后外交，以此作为它在军事上暗中积极部署的烟幕。早在马江海战之前，孤拔和巴德诺就极力主张法舰北上袭取旅顺和威海卫，威胁清朝京畿重地。马江偷袭得逞之后，他们认为“虽然中国此次完全失败”，但“福州距离北京太远，不足使帝国朝廷获得教训”，因而“复又坚决主张将战争移至北方”。茹费理政府曾一度赞成孤拔等人的侵略计划，并令其立即在北方各海口行动，但不久又改变了决心。其所以如此，一则担心北上扩大战争，可能招致其它列强的干涉，而当时法国正对由于埃及问题同英国的矛盾尖锐化所造成的欧洲局势颇为不安，一则担心北上与北洋舰队交锋，影响李鸿章的地位，而他正是法国政府“应该尽量宽待”的未来谈判的极好对手。于是，夺取台湾北部，又成了法国侵略军的战略目标。茹费理希图通过“继续执行报复”的军事行动，迫使清政府屈服，允许赔款，或将基隆、淡水两埠口的行政、经营、海关、矿山等权让给他们，以“提供同等价值的赔偿”。北圻方面，法国政府以谅山为中国军队入越的主要通道，战略地位十分重要，且思雪北黎惨败之耻，因而决计于两季过后占领谅山，并相机进犯广西边境，以配合孤拔舰队的海上进攻。所以，法国当时的战略方针是：东攻台北，西取谅山，踞地为质，勒索赔款。
东南沿海防御作战（1884年9月～1885年3月）
一、基隆弃守
法舰退出闽江之后，集结于马祖澳休整待援。1884年9月中旬，法军由越南调来三个步兵大队，使海军陆战队增至二千余人，军舰增至二十多艘。根据法国政府的指令，孤拔立即准备进攻台北。他决定自率五舰进攻基隆，占领基隆和煤矿，派利士比率三舰进攻淡水，得手后，两路向台北府发展进攻，进而占据台湾北部。
台湾守将刘铭传判断法军。不得基（隆）煤，万难用兵中国”，决心亲率主力扼守基隆，而以孙开华率部扼守淡水。当地民众也积极参加战备，保卫海防。
9月29日和30日下午，孤拔和利士比分别率领舰队自马祖澳出发。9月30日上午9时，孤拔率领的“胆”号等五艘军舰到达基隆港口海面，连同先期到达的“梭尼”号等三艘军舰，共计八艘。孤拔立即进行侦察，连夜部署，准备次日于港湾西海岸登陆。其登陆部队由海军步兵大队和炮队各三个、宪兵和工兵各一队组成，共约千余人。另有一批来自西贡和海防的民夫。孤拨的企图是：首先从仙洞山脚登陆，并抢占仙洞山顶，以便安设炮位，配合舰炮掩护步兵沿岸边的山脊路线绕袭基隆守军翼侧，控制通往台北府和淡水的大道，夺占狮球岭和基隆城，尔后向台北府前进。
当时，基隆清军共有九个营，以曹志忠部六个营防守港湾东岸，章高元部两个营及陈永隆部一个营防守西岸，以民众武装数百人防守基隆城。
10月1日晨6时，法军一个海军步兵大队在舰炮掩护下，换乘小艇向仙洞山海岸前进。陈永隆、章高元部坚决抵抗。经过四小时战斗，法军夺占仙洞山，炮队在山顶展开，轰击清军阵地。清军坚守二重桥一带，并打退了敌人的进攻。中午，法军另两个海军步兵大队相继登陆，准备次日继续进攻。
在基隆交战的同时，利士比率领的“拉加利桑尼亚”号等三艘法舰也已到达淡水。刘铭传被淡水前敌营务处李彤思夸大该地敌情所迷惑，强调“沪尾（淡水）为基隆后路，离（台北）府城只三十里，……该口除沉船外，台脆兵少，万不足恃，倘根本一失，则前军不战立溃，必至全局瓦解，不可收拾”，便不听曹志忠等人劝阻，竟然连夜率主力往援淡水，仅留三百人守狮球岭高地。
10月2日，法军轻取基隆和狮球岭，由于兵力不敷分配，未敢进据基隆港东岸煤矿。刘铭传到达台北府后，发现淡水情况并不紧急，即以章高元部援淡水，曹志忠部仍折回基隆。但由于法军已占据基隆和狮球岭，曹部只得扼守台北府东面的水返脚一带，以防法军南下。在前敌指挥官刘铭传的错误决心下，基隆轻易弃守。清廷认为，“基隆要地，岂容法兵占踞”，命令刘铭传乘法军喘息未定，“联络刘墩，同心协力，合队攻剿；并募彰、嘉劲勇助战，将敌兵悉数驱逐”。同时，命前陕甘总督杨岳斌帮办左宗棠军务，向福建增调援兵，“设计渡台”，增强台北防御力量。
法国驻华公使巴德诺见法军在台湾进展顺利，便狂妄地声称：“我们有希望很快地把整个台湾北部，不可动摇地置于我们统制之下”耳并再次向茹费理建议，让孤拔舰队北上进攻旅顺等地。巴德诺没有想到，他所得到的下一个消息便是法军在淡水的惨败。
二、淡水获胜
淡永港位于淡水河口，沿河可直达台北府，北岸滨海沙滩便于登陆，是清军仅决于基隆的防守重点。1884年8月下旬以来，淡水守军即以木船满载石块沉塞港口，并敷设电力操纵的水雷，封锁航道；又在北岸构筑两座炮台（法军称之为红炮台，白炮台），封锁港口及海滩。
10月1日，利士比率领“拉加利桑尼亚”号等巡洋舰三艘到达淡水海面，与原在港外活动的一般炮艇会合，决定于次日上午10时开始发起攻击。利士比企图以舰炮火力摧毁岸上炮台和军营，打开港口，保障舰队在淡水河的行动自由，尔后登陆占领淡水街，策应基隆方面法军主力的作战。