Thực dân Pháp đánh hơi thấy ngay sự hỗn loạn của việc phế lập trong triều, lại giữa lúc viện binh của chúng sang đầy đủ, chúng muốn đánh một đòn quyết định để chấm dứt chiến tranh xâm lược. Ðoán được mưu đồ của giặc, phái chủ chiến đã tăng cường phòng thủ cửa bể Thuận An, và đắp vật cản trên sông Hương. Hệ thống phòng thủ ở Thuận An bấy giờ có tất cả 13 pháo đài, hai cửa đặt hai pháo đài chính. Trước cửa sông Hương có đặt thêm nhiều đại bác.Sáng 17/8/1883 địch từ Ðà Nẵng rầm rộ kéo ra Thuận An với lực lượng gồm 8 tàu chiến và 800 quân (600 lính thủy quân lục chiến, 100 lính tập và 100 phu). Từ soái hạm Le Bayard, tướng Pháp Courbet gửi tối hậu thư buộc triều đình Huế giao toàn bộ hệ thống phòng thủ cửa biển Thuận An không điều kiện trong vòng 24 giờ. Bị từ chối, 16h30 ngày 18/8/1883 thực dân Pháp bắt đầu nã pháo vào đồn binh ta. Quân triều đình cũng bắn trả lại. Hai bên giao tranh đến 20h mới ngừng. 

Ngày 19/8/1883, thời tiết xấu và biển động gây bất lợi cho quân Pháp. Nhân cơ hội đó các khẩu đội pháo của quân triều đình đã tấn công trước, tạo thế áp đảo quân Pháp, tàu chiến Pháp chỉ bắn trả chứ không chủ động tấn công. Quân triều đình có thêm thời gian củng cố các công sự chiến đấu và bổ sung pháo thủ.

Nhưng do sức mạnh áp đảo về quân sự, nên sáng ngày 20/3/1883 quân Pháp đã tổ chức lại quân đội và bắn pháo cho tới chiều, rồi cho hơn 1.000 quân đổ bộ. Các đồn binh lần lượt thất thủ, đến tối quân Pháp chiếm được Thuận An.

Các quan đồn trú Thuận An là Lê Sỹ, Lê Chuẩn đều tử trận, Lâm Hoàng và Nguyễn Trung đã tự vẫn.

Trong trận đánh bảo vệ cửa ngõ Kinh đô Huế ở cửa Thuận An, lực lượng quân Triều đình hy sinh đến hàng trăm người, tập trung chủ yếu ở trận phòng thủ Trấn Hải. Những chiến sĩ phòng vệ Thuận An đã nằm xuống trong giờ phút cuối cùng của nền độc lập dân tộc dưới thời nhà Nguyễn, trong tư thế của những người anh hùng quyết tâm chống Pháp, đem thân mình đền nợ nước.

Nghe tin Thuận An thất thủ, vua Hiệp Hòa vô cùng lo sợ đã vội vã cử người đến xin đình chiến và buộc những người chủ chiến rút khỏi các đồn binh và nhổ vật cản trên sông Hương. Quyết định nghị hòa của vua Hiệp Hòa tạo ra sự bất mãn trong hàng ngũ quan quân chủ chiến, nhưng họ đành bất lực. Tôn Thất Thuyết phản ứng bằng cách đem cờ và Ngự bài binh sự trả lại cho nhà vua, còn Ông ích Khiêm thì hậm hực triệt quân bản bộ (chừng 700 người).

Thuận An thất thủ, triều đình Huế phải ký vào hòa ước Harmand ngày 25/8/1883, gồm 27 điều khoản công nhận sự bảo hộ của Pháp trên toàn cõi Việt Nam, và người Pháp có quyền kiểm soát về mặt ngoại giao của triều đình. Việt Nam chính thức chia làm ba kỳ với ba chế độ lệ thuộc khác nhau.

Với bản hiệp định này, thực dân Pháp những mong nhân dân ta hạ khí giới đầu hàng chúng. Nhưng, nhân dân cả nước vẫn không buông vũ khí, ngay trong triều đình Tôn Thất Thuyết và phái chủ chiến vẫn nung nấu ý chí đánh Pháp.

Chấp nhận ký hiệp ước Harmand, vua Hiệp Hòa đã đi chệnh đường lối giữ nước của những người chủ chiến và nguyện vọng của nhân dân, nên đã bị phế truất sau 4 tháng trên ngai vàng. Chủ trương hòa nghị và đầu hàng của vua Hiệp Hòa đã suýt biến triều đình Huế thành guồng máy cai trị thân Pháp, nhưng nỗ lực của Tôn Thất Thuyết và phái chủ chiến đã kịp thời chặn đứng nguy cơ đó.