一、雙方作戰方針和部署
在法國侵略者強迫越南封建王朝簽訂第一次《順化條約》之後，清政府對法國武裝侵略的態度雖已轉趨強硬，但統治集團內部在作戰方針上存在很大分歧。主戰派鑒於黑旗軍屢創法軍，越南義軍也在北圻紅河三角洲地區紛紛響應，而法軍增援部隊又未趕到，極力主張採取飽勢。兵部尚書彭玉麟建議由廣西、雲南「各派驍將，率領精兵數千，督同劉永福所部黑旗軍，出其不意，攻其不備，疾搗順化河暨西貢敵營，覆其巢穴」１。內閣學士周德潤等建議迅速調回在德國定購的兩艘新式軍艦，會同廣東水師，「突入越洋，直泊海防，封住海口」，然後以滇桂之師，由北寧、山西會攻河內。２清朝最高統治者排斥了上述主動進攻的主張，決定採取保守求和的方針，即：在越南，「保守北圻，力固滇粵門戶」３；在中國，扼守沿海各海口與長江沿江一帶。總的指導思想是希圖「久與相持」，使敵「情見勢絀，自願轉圜」。４其實質依然是以軍事上的防守達到政治上求和的目的。基於上述方針，作了如下部署：
北圻方面——以北寧為重點，山西為犄角，分別命廣西巡撫徐延旭、雲南巡撫唐炯馳赴前敵，督率各營，嚴密防守，以固門戶。鑒於「保全北圻，總以克復河內為要著」，決定「激勵劉永福整頓隊伍，聯絡越南義兵，相機進取，力圖恢復」。５
沿海方面——鑒於廣東當南洋首沖，天津為畿輔重地，確定以天津、廣東為重點，在沿海各省海口擇要佈置，以防法國海軍襲擾；同時，命令長江中下游各省察看沿江形勢，分佈扼守，防敵兵船沿江內犯。
法國用兵北圻，其目的在於變整個越南為法國的殖民地，然後以之為基地，進窺中國。在清政府發出法軍不得侵及北圻清軍駐地的照會之後，以茹費理為首的法國內閣便決計用武力攻取山西、興化、北寧等地，驅逐黑旗軍及中國駐越軍隊，完全佔領北圻。
山西、北寧互為犄角，瞰制河內。清軍欲取河內而保北圻，非守此兩地不可；法軍欲保河內而取北圻，亦非奪此兩地不可。因此，山西、北寧實為中法兩軍必爭之地。法軍鑒於當時山西主要由黑旗軍駐守，若先攻北寧，須渡紅河、新河（今急流河），且後路空虛，黑旗軍隨時有可能從山西直搗河內，屆時難以回救；若先取山西，駐守北寧的清軍不一定渡河策應。因此，決定採取先攻山西，後取北寧的方針。
1883年10月25日，法國以孤拔為遠征軍總司令，統一指揮在北圻的海陸軍隊。在待援過程中，法軍在河內、海防、海陽、嘉林、丹鳳等地不斷增築炮台，加強防禦，同時，加寬河內至丹鳳的道路，以便向山西發動進攻。12月初，北圻法軍已增至九千餘人，大部分集中於河內地區，作戰準備基本就緒。
在法軍即將大舉進攻之際，負責北圻東線防務的廣西巡撫徐延旭托病滯留諒山，所部桂軍計三十餘營，主要集結於北寧及其附近地區，由廣西提督黃桂蘭、道員趙沃擔任前線指揮１。
負責西線指揮的岑毓英雖奉命力保山西２，但尚未起程；革職留任的雲南巡撫唐炯也遠在雲南邊境。駐守山西的部隊只有黑旗軍三千人，以及12月初才趕到的滇軍三個營、桂軍兩個營，共計五千人左右。
二、山西保衛戰（參見附圖十四）
1883年12月11日，法國遠征軍總司令孤拔按照其先攻山西、再取北寧的作戰方針，率軍六千人，分成水陸兩隊，由河內向山西進發。法軍企圖先奪取山西城東北的扶沙要塞及城北的堤岸陣地，再從右翼迂迴城西，切斷山西與興化的聯繫，一舉攻佔山西。其部署是：第一隊，以大炮艦三艘、小炮艦十餘艘和民船數十隻，載兵三千三百餘人，溯紅河西上；第二隊二千六百餘人，由陸路進至丹鳳後，渡喝江，沿紅河南岸向山西推進。陸路隨行的還有大量脅從的民夫，以及五百輛彈藥車。
山西位於紅河南岸，是控制紅河中上游的戰略要地。城周長約二十里，有磚石內城和土質外城。黑旗軍進駐山西後，進一步加強了這裡的城防工事，並在紅河上設置竹筏阻塞河面，沿河岸修築炮台，北門至河堤相距五里，築柵五重。劉永福鑒於山西的存亡關係重大，而協助防守的滇、桂軍隊為數既少，鬥志又不高，因而決心發揚黑旗軍英勇頑強的戰鬥精神，依托城垣及外圍工事粉碎敵人的進攻，並以確保河堤和城北市區為防禦重點。在得知河內法軍傾巢出動的情報後，劉永福和唐景崧（清政府派至黑旗軍的官吏——吏部主事）立即巡視陣地，激勵將士，準備痛擊來犯之敵；同時，函請北寧清軍會同越南義軍乘隙進取河內，或於新河、嘉林方向佯動，牽制敵人。
山西守軍五千人的防禦部署是：黑旗軍六個營加桂軍一個營扼守城北河堤；黑旗軍五個營扼守城東；黑旗軍、桂軍各一營扼守城南；滇軍三個營扼守城西。此外，越南北圻統督黃佐炎等率領的越軍約二千人，駐紮於南門外村落中。
12月14日上午9時左右，法軍發起攻擊，以艦炮和哈齊開斯機槍掩護其步兵展開，並摧毀了扶沙要塞。防守堤岸的黑旗軍奮起還擊，竭力遲滯敵軍的行動。與此同時，劉永福命令東門外的黑旗軍五個營利用地形秘密地向敵人側後機動，以便配合堤岸守軍夾擊敵人。約中午12時許，迂迴敵後的黑旗軍突然出現於陸路法軍及水路艦隊之間，從翼側攻擊向西運動之敵，法艦炮火無法發揮威力。孤拔見情況危急，立即命令法軍轉入防禦，並集中所有炮火還擊黑旗軍。在敵人密集炮火和機槍的阻擊下，黑旗軍迂迴部隊傷亡較大，被迫撤退。下午4時，法軍重新發起攻擊，城北黑旗軍頑強抵抗，戰鬥非常激烈。當法軍迫近城北堤岸時，黑旗軍從工事中一躍而出，與敵人展開肉搏戰。經過一小時激戰，法軍以死傷士兵二百人、軍官二十二人的代價，奪取了河堤陣地。
15日凌晨1時，守軍一部乘夜接近河堤，突然發起反擊，冀圖奪回河堤陣地。由於當晚月明如晝，加上法軍拚死抵抗，偷襲未獲成功，但斃傷不少敵軍，並生俘非洲兵二十名、法海軍陸故隊兵士五名。劉永福、唐景崧知沿河陣地難保，便將守軍撤至外城，分段固守。當日上午，雙方調整部署，法軍不停地進行炮擊。下午，孤拔以主力向西機動，企圖奪取扶裡炮台，從西門攻入城內。劉永福判明情況後，親率黑旗軍主力增援西門，並加強防禦工事。
16日拂曉，法軍猛攻北門和扶裡炮台。北門守軍沉著應戰，連續向城下投擲火藥包，阻止了敵人的前進。防守扶裡炮台的滇軍也奮起還擊，但終因炮台設施陳舊，被敵突破，撤入外城，以致敵人得以進逼西門城垣。當日上午，法軍炮兵配合艦炮以猛烈炮火將西門城樓轟塌，並摧毀全部防禦工事。守軍傷亡較大。下午，法軍由西門突入城內，守軍依托市區建築物頑強阻擊，激戰至夜。為了保存有生力量，黑旗軍和清軍乘夜從南門和東門撤出山西城，經不拔縣向興化集中。城南村落中的越軍隨即潰散。
侵略軍入城之後，進行滅絕人性的大屠殺。據英國記者披露：法軍「把所遇見的男人、女人、小孩——一切生物，全都殺死」１。《泰晤士報》記者於次年2月前往山西採訪時，目睹那裡的炮台及濱河之村落，「悉被法人焚燬」，城北大村「屋宇雖存，惟寂其無人，只覺鳥鳴於屋巔而已」。２
山西雖然失陷了，但守軍在傷亡逾千和孤立無援的情況下，浴血奮戰，斃傷法軍近千人，給了侵略者以沉重打擊。特別是黑旗軍，在劉永福「縱敵人我重地，始能痛殲」３的思想指導下，敢於以劣勢裝備和優勢裝備的敵人拚殺，頑強抗擊。在指揮上，劉永福能根據法軍水陸並進的特點，著重加強河堤及城北城東的防禦，並善於抓住戰機，適時地對突入之敵實施反擊。當法軍集中注意力攻擊城北河堤守軍之際，果斷地集中所有可能機動的兵力，迅速隱蔽地迂迴敵後，插入進攻之敵及法軍艦隊之間，給敵人以突如其來的打擊。對此，法軍中的外國隨軍記者也佩服地說：「他們的迂迴動作是聰明地設計出來的：華軍就在法軍及艦隊之間，所以艦隊不敢開炮……」４這次反擊，雖然未能奏效，但劉永福在掌握反擊時機、選擇反擊方向、適時機動兵力等方面，表現出了他的指揮才能。
山西作戰之所以失敗，原因是多方面的。其中之一，是駐守北寧的桂軍無所作為。他們臨戰觀望，既不增援山西，又不乘隙向河內方向出擊，給敵軍以必要的牽制，致使法軍得以集中兵力西上，而山西守軍則得不到友軍支援，陷入孤軍作戰。同時，由於雲南巡撫唐炯消極避戰１，以致滇軍主力推進遲緩。直至戰鬥前夕，才有少量部隊進至山西、興化，起不到支援山西守軍作戰的作用。此外，劉永福等在作戰指導上也有不當之處。如面對優勢敵人的進攻，未能利用有利地形，伏擊、襲擊敵人於運動之中。單純採取碧守城池的戰法，自難抵擋住擁有強大炮火之敵的強攻。
山西保衛戰是清廷被迫應戰後的首次作戰。首戰失利，丟掉了一個進可以攻、退可以守的戰略要地，不但失去了對河內法軍的威脅，而且使東西兩線的聯繫增加困難，給爾後的北圻作戰造成很不利的影響。
法軍佔領山西的消息傳到巴黎，法國反動當局興高采烈，得意忘形，大叫什麼「色當被山西掩蔽了」，企圖以侵佔山西掩蓋和粉飾其在普法戰爭中色當大敗的羞辱。
三、北寧等地的失陷（參見附圖十四）
山西失守後，清廷命廣西巡撫徐延旭嚴守北寧，令雲貴總督岑毓英迅即出關，加強興化方面的防禦，並令兩廣總督張樹聲「選派得力將領，統帶勁旅，馳赴鎮南關（今友誼關），以實後路」２。
1884年2月22日，岑毓英進抵興化前線。這時，黑旗軍經過休整補充，編為十二個營，共計四千餘人。滇軍調至興化、臨洮、端雄、宣光一線的兵力已逐次增至二十餘營，約一萬人１。鑒於東線軍情緊急，岑毓英遣唐景崧偕同劉永福率領全部黑旗軍趕赴北寧。當時，岑毓英被指定為北圻東西兩線軍事總指揮，但他以兩線阻隔，不便指揮為由，不願挑此重擔，以致東西兩線軍隊始終處於各自為戰的狀態。
負責東線作戰指揮的徐延旭，是一個貪生怕死而又體羸多病的投降派。他擁兵五十餘營，二萬餘人２，卻不親臨前線積極部署作戰。他一面向清廷吹噓「北寧守禦，固可無虞」３，一面藉故留在諒山，將前線指揮權仍委諸左右兩路統領黃桂蘭和趙沃。黃桂蘭雖為淮軍「宿將」，但有勇無謀；趙沃則文弱書生，不懂軍事。二人又彼此不和，對戰守之策，並無通盤謀劃，只注意沿北寧至河內的大道佈陣設防，正面防守，不注意翼側的掩護。
法軍在攻佔山西之後，由於傷亡較重，後方又不時受到越南義軍的襲擾，無力繼續發展進攻，只能固守山西、河內一線，等待增援部隊的到來。
1884年2月，由法國陸軍部派來的一個步兵旅和兩隊炮兵、一隊工兵到達北圻，使遠征軍總數達到一萬八千餘人，炮艦二十餘艘。根據法國政府指令，新到的米樂將軍於2月12日接替孤拔為遠征軍總司令。孤拔重返艦隊，指揮海上作戰（後被任命為法國遠東艦隊司令，升為中將）。米樂接任後，將法軍分為兩個旅，分別由副總司令波裡也和尼格裡二將軍指揮，又以莫列波約統率北圻江防艦隊。米樂按照原定作戰方針，以一部兵力駐守山西，牽制興化方面的清軍；主力集中於河內、海陽兩處，以便大舉進攻北寧。
北寧西接山西，東臨海陽，南拒河內，北蔽諒山，戰略地位十分重要，是駐越清軍全力經營的軍事重鎮。它的得失，對北圻全局有著決定性的作用。
1884年3月7日下午，法軍開始行動。米樂、波裡也率第一旅由河內出發，於當夜渡過紅河，揚言由嘉林波新河沿大道向北寧前進。實際上，米樂決定避開清軍設防堅固的正面，從翼側進攻北寧。
3月8日晨，法軍從兩個方向同時進軍：尼格裡率第二旅從海陽出發，乘船沿太平江北上；米樂、波裡也則以一部兵力佯攻新河，主力沿新河南岸向東疾進。水陸兩路各六千人左右。同日上午，法軍第二旅主力在艦炮掩護下，由扶朗兩側登陸，圍攻駐守該處的四營清軍。當地天主教民也四出響應，為虎作倀。守軍憑借炮台工事抵抗，並派人赴北寧乞援。黃桂蘭派出的三營清軍於半路得悉扶朗已失，折回北寧。扼守扶朗的清軍向西退至桂陽時，黑旗軍一部趕到，與之併力堵截法軍，使其前進受阻。黃桂蘭調扼守三江口一帶的黨敏宜所部八營回防北寧；黨敏宣避戰自保，拒不執行命令。
3月11日，法軍第一旅在北寧東南方向渡過新河，與第二旅會合，準備次日從北、東、南三面會攻北寧。
3月12日，法軍第二旅一部在艦炮火力支援下，向桂陽、春水等地進攻；第一旅迅速向西機動，從北寧南面發起攻擊；第二旅另一部由水路繞至城北，企圖奪占湧球（今答求，北寧東北四公里），切斷清軍後路。湧球對北寧的防禦有重要作用。據當時隨軍者記述：該處「有河寬十丈，深八尺，輪船可至河邊。有土山兩座，商民無不言，敵若據此山，將開花炮近指入城，點滴不差，晝夜不絕，則城斷難守」１。可是，黃桂蘭只派陳朝綱兩營守湧球，直至3月11日，才調黑旗軍千人加強該處防禦，並挖地營（有被覆的野戰掩體）十座。但是，第二天早晨黃又突然變計，將黑旗軍調離湧球。就在這天下午，法軍第二旅輕取湧球，「曳炮阜頂，俯擊北寧城。彈三落，城市嘩奔，越官張登坦等開城遁」２。正在城外督戰的黃桂蘭、趙沃見情況緊急，竟放棄指揮，分別向諒江、太原方向逃跑，清軍頓時全線潰散。黑旗軍及少數清軍試圖抵抗，因大勢已去，不得不撤往太原。黑旗軍不久又從太原返回興化。
3月15日起，法軍分路追擊清軍。至19日，諒江、郎甲（今蓋夫）、太原相繼失守。東線清軍被迫退至山區，大部潰散１，餘部集結於諒山、鎮南關一帶。
4月初，法軍為轉移兵力奪取興化，主動放棄太原，僅以少數兵力在郎甲一帶築壘防守，主力經河內向山西集中。岑毓英聞風喪膽，隨即將滇軍主力後撤至保勝、河口一帶，於是，興化、臨洮、宣光一線不久就被法軍佔據。至此，法國侵略軍達到了佔領紅河三角洲全部重要城市的戰略目的。
北寧作戰，是雙方在第一階段中的主力決戰。清軍東路主力二萬餘人，全聚於此，為數不為不多，經營防備，不為不久。其所以一觸即潰，主要是由於清廷墨守其消極應付的戰爭指導造成的。山西失陷後，清廷仍只是要求前敵將領「嚴飭各軍，力保完善之地，毋使再行深入」２，以致在山西戰後至北寧作戰前的一個多月時間內，東線清軍竟無所作為，坐待法軍增兵進攻，各個擊破。其次，作為東線指揮官的徐延旭，「平日既無調度之方，臨事復無應變之策」３，前線指揮一概由彼此不和的黃桂蘭、趙沃二人負責，以致北寧失陷前一日，對於前線緊急情形一無所知，失後兩日，仍未得信。為此，清廷責備他「於前敵軍情，形同聾聵，殊堪痛恨」４。以如此昏庸之輩指揮一個方向的作戰，要想取得勝利當然是不可能的。此外，桂軍臨戰擴兵，缺乏訓練，紀律渙散，也是北寧失守的重要原因之一。徐延旭籌辦廣西邊防以來，廣西防軍由原來的十餘營增至五十餘營；但求多而不求精，以致糧餉不敷，兵無鬥志，且未經訓練，不習火器。尤有甚者，將弁貪污腐化，毫無紀律，「此次法人進攻北寧，不過遙遙相擊，並未逼攻城池，該軍弁勇有室家者居半，吸食洋煙者居半，聞警先攜婦女逃走，致使軍械餉銀概以資敵」１。
四、《中法簡明條約》的簽訂
山西、北寧之戰以後，清廷下令將徐延旭、唐炯等人革職查辦，黨敏宣等軍前正法，以署湖南巡撫潘鼎新為廣西巡撫，以貴州巡撫張凱嵩為雲南巡撫，以前福建布政使王德榜署理廣西提督，並命原廣西提督馮子材速赴前敵，接替黃桂蘭統率關外各營。西太后還乘機把戰敗的責任推到和她有矛盾的首席軍機大臣恭親王奕訴身上，更換全部軍機大臣，命禮親王世鐸管理軍機處，並讓她的妹夫、光緒帝（載湉，謚德宗）的生父醇親王「會同商辦軍機處要政」，又任命貝勒奕訢（後封為慶親王）主持總理各國事務衙門。
但是，清廷關於中央和前線人事方面的變動，僅僅是為了掩飾敗績，絲毫不意味抗戰決心的加強；相反，前線的軍事失敗，給了主和派以可乘之機，李鴻章等又加緊進行妥協求和活動了。為迎合法國侵略者的意圖，李鴻章通過總理衙門，任命淮系的李鳳苞接替湘系的曾紀澤（主戰派）為駐法公使，以便為和談鋪平道路。法國也希望有一段休整時間，因而趁北圻取勝的有利形勢，一面揚言進攻廣州，一面加緊向清廷誘和。
1884年5月11日，李鴻章與法國海軍中校福祿諾在天津簽訂《中法簡明條約》。其主要內容是：（一）中國承認法國佔有全部越南；（二）中國將駐北圻的軍隊調回邊界，並對越法之間所有已定與未定條約一概不加過問；（三）法國不索賭款，但商品可從雲南、廣西輸入中國內地；（四）法國答應在與越南訂約時，決不出現有損中國體面的字樣；（五）三個月後，雙方各派全權大臣，照以上各節，制定詳細條款。6月6日，法國又強迫越南簽訂了第二次《順化條約》，以確定對整個越南的殖民統治。《中法簡明條約》的簽訂，標誌著中法戰爭第一階段的結束。