一、双方作战方针和部署
在法国侵略者强迫越南封建王朝签订第一次《顺化条约》之后，清政府对法国武装侵略的态度虽已转趋强硬，但统治集团内部在作战方针上存在很大分歧。主战派鉴于黑旗军屡创法军，越南义军也在北圻红河三角洲地区纷纷响应，而法军增援部队又未赶到，极力主张采取饱势。兵部尚书彭玉麟建议由广西、云南“各派骁将，率领精兵数千，督同刘永福所部黑旗军，出其不意，攻其不备，疾捣顺化河暨西贡敌营，覆其巢穴”①。内阁学士周德润等建议迅速调回在德国定购的两艘新式军舰，会同广东水师，“突入越洋，直泊海防，封住海口”，然后以滇桂之师，由北宁、山西会攻河内。②清朝最高统治者排斥了上述主动进攻的主张，决定采取保守求和的方针，即：在越南，“保守北圻，力固滇粤门户”③；在中国，扼守沿海各海口与长江沿江一带。总的指导思想是希图“久与相持”，使敌“情见势绌，自愿转圜”。④其实质依然是以军事上的防守达到政治上求和的目的。基于上述方针，作了如下部署：
北圻方面——以北宁为重点，山西为犄角，分别命广西巡抚徐延旭、云南巡抚唐炯驰赴前敌，督率各营，严密防守，以固门户。鉴于“保全北圻，总以克复河内为要著”，决定“激励刘永福整顿队伍，联络越南义兵，相机进取，力图恢复”。⑤
沿海方面——鉴于广东当南洋首冲，天津为畿辅重地，确定以天津、广东为重点，在沿海各省海口择要布置，以防法国海军袭扰；同时，命令长江中下游各省察看沿江形势，分布扼守，防敌兵船沿江内犯。
法国用兵北圻，其目的在于变整个越南为法国的殖民地，然后以之为基地，进窥中国。在清政府发出法军不得侵及北圻清军驻地的照会之后，以茹费理为首的法国内阁便决计用武力攻取山西、兴化、北宁等地，驱逐黑旗军及中国驻越军队，完全占领北圻。
山西、北宁互为犄角，瞰制河内。清军欲取河内而保北圻，非守此两地不可；法军欲保河内而取北圻，亦非夺此两地不可。因此，山西、北宁实为中法两军必争之地。法军鉴于当时山西主要由黑旗军驻守，若先攻北宁，须渡红河、新河（今急流河），且后路空虚，黑旗军随时有可能从山西直捣河内，届时难以回救；若先取山西，驻守北宁的清军不一定渡河策应。因此，决定采取先攻山西，后取北宁的方针。
1883年10月25日，法国以孤拔为远征军总司令，统一指挥在北圻的海陆军队。在待援过程中，法军在河内、海防、海陽、嘉林、丹凤等地不断增筑炮台，加强防御，同时，加宽河内至丹凤的道路，以便向山西发动进攻。12月初，北圻法军已增至九千余人，大部分集中于河内地区，作战准备基本就绪。
在法军即将大举进攻之际，负责北圻东线防务的广西巡抚徐延旭托病滞留谅山，所部桂军计三十余营，主要集结于北宁及其附近地区，由广西提督黄桂兰、道员赵沃担任前线指挥①。
负责西线指挥的岑毓英虽奉命力保山西②，但尚未起程；革职留任的云南巡抚唐炯也远在云南边境。驻守山西的部队只有黑旗军三千人，以及12月初才赶到的滇军三个营、桂军两个营，共计五千人左右。
二、山西保卫战（参见附图十四）
1883年12月11日，法国远征军总司令孤拔按照其先攻山西、再取北宁的作战方针，率军六千人，分成水陆两队，由河内向山西进发。法军企图先夺取山西城东北的扶沙要塞及城北的堤岸阵地，再从右翼迂回城西，切断山西与兴化的联系，一举攻占山西。其部署是：第一队，以大炮舰三艘、小炮舰十余艘和民船数十只，载兵三千三百余人，溯红河西上；第二队二千六百余人，由陆路进至丹凤后，渡喝江，沿红河南岸向山西推进。陆路随行的还有大量胁从的民夫，以及五百辆弹药车。
山西位于红河南岸，是控制红河中上游的战略要地。城周长约二十里，有砖石内城和土质外城。黑旗军进驻山西后，进一步加强了这里的城防工事，并在红河上设置竹筏阻塞河面，沿河岸修筑炮台，北门至河堤相距五里，筑栅五重。刘永福鉴于山西的存亡关系重大，而协助防守的滇、桂军队为数既少，斗志又不高，因而决心发扬黑旗军英勇顽强的战斗精神，依托城垣及外围工事粉碎敌人的进攻，并以确保河堤和城北市区为防御重点。在得知河内法军倾巢出动的情报后，刘永福和唐景崧（清政府派至黑旗军的官吏——吏部主事）立即巡视阵地，激励将士，准备痛击来犯之敌；同时，函请北宁清军会同越南义军乘隙进取河内，或于新河、嘉林方向佯动，牵制敌人。
山西守军五千人的防御部署是：黑旗军六个营加桂军一个营扼守城北河堤；黑旗军五个营扼守城东；黑旗军、桂军各一营扼守城南；滇军三个营扼守城西。此外，越南北圻统督黄佐炎等率领的越军约二千人，驻扎于南门外村落中。
12月14日上午9时左右，法军发起攻击，以舰炮和哈齐开斯机槍掩护其步兵展开，并摧毁了扶沙要塞。防守堤岸的黑旗军奋起还击，竭力迟滞敌军的行动。与此同时，刘永福命令东门外的黑旗军五个营利用地形秘密地向敌人侧后机动，以便配合堤岸守军夹击敌人。约中午12时许，迂回敌后的黑旗军突然出现于陆路法军及水路舰队之间，从翼侧攻击向西运动之敌，法舰炮火无法发挥威力。孤拔见情况危急，立即命令法军转入防御，并集中所有炮火还击黑旗军。在敌人密集炮火和机槍的阻击下，黑旗军迂回部队伤亡较大，被迫撤退。下午4时，法军重新发起攻击，城北黑旗军顽强抵抗，战斗非常激烈。当法军迫近城北堤岸时，黑旗军从工事中一跃而出，与敌人展开肉搏战。经过一小时激战，法军以死伤士兵二百人、军官二十二人的代价，夺取了河堤阵地。
15日凌晨1时，守军一部乘夜接近河堤，突然发起反击，冀图夺回河堤阵地。由于当晚月明如昼，加上法军拚死抵抗，偷袭未获成功，但毙伤不少敌军，并生俘非洲兵二十名、法海军陆故队兵士五名。刘永福、唐景崧知沿河阵地难保，便将守军撤至外城，分段固守。当日上午，双方调整部署，法军不停地进行炮击。下午，孤拔以主力向西机动，企图夺取扶里炮台，从西门攻入城内。刘永福判明情况后，亲率黑旗军主力增援西门，并加强防御工事。
16日拂晓，法军猛攻北门和扶里炮台。北门守军沉着应战，连续向城下投掷火药包，阻止了敌人的前进。防守扶里炮台的滇军也奋起还击，但终因炮台设施陈旧，被敌突破，撤入外城，以致敌人得以进逼西门城垣。当日上午，法军炮兵配合舰炮以猛烈炮火将西门城楼轰塌，并摧毁全部防御工事。守军伤亡较大。下午，法军由西门突入城内，守军依托市区建筑物顽强阻击，激战至夜。为了保存有生力量，黑旗军和清军乘夜从南门和东门撤出山西城，经不拔县向兴化集中。城南村落中的越军随即溃散。
侵略军入城之后，进行灭绝人性的大屠杀。据英国记者披露：法军“把所遇见的男人、女人、小孩——一切生物，全都杀死”①。《泰晤士报》记者于次年2月前往山西采访时，目睹那里的炮台及滨河之村落，“悉被法人焚毁”，城北大村“屋宇虽存，惟寂其无人，只觉鸟鸣于屋巅而已”。②
山西虽然失陷了，但守军在伤亡逾千和孤立无援的情况下，浴血奋战，毙伤法军近千人，给了侵略者以沉重打击。特别是黑旗军，在刘永福“纵敌人我重地，始能痛歼”③的思想指导下，敢于以劣势装备和优势装备的敌人拼杀，顽强抗击。在指挥上，刘永福能根据法军水陆并进的特点，着重加强河堤及城北城东的防御，并善于抓住战机，适时地对突入之敌实施反击。当法军集中注意力攻击城北河堤守军之际，果断地集中所有可能机动的兵力，迅速隐蔽地迂回敌后，插入进攻之敌及法军舰队之间，给敌人以突如其来的打击。对此，法军中的外国随军记者也佩服地说：“他们的迂回动作是聪明地设计出来的：华军就在法军及舰队之间，所以舰队不敢开炮……”④这次反击，虽然未能奏效，但刘永福在掌握反击时机、选择反击方向、适时机动兵力等方面，表现出了他的指挥才能。
山西作战之所以失败，原因是多方面的。其中之一，是驻守北宁的桂军无所作为。他们临战观望，既不增援山西，又不乘隙向河内方向出击，给敌军以必要的牵制，致使法军得以集中兵力西上，而山西守军则得不到友军支援，陷入孤军作战。同时，由于云南巡抚唐炯消极避战①，以致滇军主力推进迟缓。直至战斗前夕，才有少量部队进至山西、兴化，起不到支援山西守军作战的作用。此外，刘永福等在作战指导上也有不当之处。如面对优势敌人的进攻，未能利用有利地形，伏击、袭击敌人于运动之中。单纯采取碧守城池的战法，自难抵挡住拥有强大炮火之敌的强攻。
山西保卫战是清廷被迫应战后的首次作战。首战失利，丢掉了一个进可以攻、退可以守的战略要地，不但失去了对河内法军的威胁，而且使东西两线的联系增加困难，给尔后的北圻作战造成很不利的影响。
法军占领山西的消息传到巴黎，法国反动当局兴高采烈，得意忘形，大叫什么“色当被山西掩蔽了”，企图以侵占山西掩盖和粉饰其在普法战争中色当大败的羞辱。
三、北宁等地的失陷（参见附图十四）
山西失守后，清廷命广西巡抚徐延旭严守北宁，令云贵总督岑毓英迅即出关，加强兴化方面的防御，并令两广总督张树声“选派得力将领，统带劲旅，驰赴镇南关（今友谊关），以实后路”②。
1884年2月22日，岑毓英进抵兴化前线。这时，黑旗军经过休整补充，编为十二个营，共计四千余人。滇军调至兴化、临洮、端雄、宣光一线的兵力已逐次增至二十余营，约一万人①。鉴于东线军情紧急，岑毓英遣唐景崧偕同刘永福率领全部黑旗军赶赴北宁。当时，岑毓英被指定为北圻东西两线军事总指挥，但他以两线阻隔，不便指挥为由，不愿挑此重担，以致东西两线军队始终处于各自为战的状态。
负责东线作战指挥的徐延旭，是一个贪生怕死而又体羸多病的投降派。他拥兵五十余营，二万余人②，却不亲临前线积极部署作战。他一面向清廷吹嘘“北宁守御，固可无虞”③，一面借故留在谅山，将前线指挥权仍委诸左右两路统领黄桂兰和赵沃。黄桂兰虽为淮军“宿将”，但有勇无谋；赵沃则文弱书生，不懂军事。二人又彼此不和，对战守之策，并无通盘谋划，只注意沿北宁至河内的大道布阵设防，正面防守，不注意翼侧的掩护。
法军在攻占山西之后，由于伤亡较重，后方又不时受到越南义军的袭扰，无力继续发展进攻，只能固守山西、河内一线，等待增援部队的到来。
1884年2月，由法国陆军部派来的一个步兵旅和两队炮兵、一队工兵到达北圻，使远征军总数达到一万八千余人，炮舰二十余艘。根据法国政府指令，新到的米乐将军于2月12日接替孤拔为远征军总司令。孤拔重返舰队，指挥海上作战（后被任命为法国远东舰队司令，升为中将）。米乐接任后，将法军分为两个旅，分别由副总司令波里也和尼格里二将军指挥，又以莫列波约统率北圻江防舰队。米乐按照原定作战方针，以一部兵力驻守山西，牵制兴化方面的清军；主力集中于河内、海陽两处，以便大举进攻北宁。
北宁西接山西，东临海陽，南拒河内，北蔽谅山，战略地位十分重要，是驻越清军全力经营的军事重镇。它的得失，对北圻全局有着决定性的作用。
1884年3月7日下午，法军开始行动。米乐、波里也率第一旅由河内出发，于当夜渡过红河，扬言由嘉林波新河沿大道向北宁前进。实际上，米乐决定避开清军设防坚固的正面，从翼侧进攻北宁。
3月8日晨，法军从两个方向同时进军：尼格里率第二旅从海陽出发，乘船沿太平江北上；米乐、波里也则以一部兵力佯攻新河，主力沿新河南岸向东疾进。水陆两路各六千人左右。同日上午，法军第二旅主力在舰炮掩护下，由扶朗两侧登陆，围攻驻守该处的四营清军。当地天主教民也四出响应，为虎作伥。守军凭借炮台工事抵抗，并派人赴北宁乞援。黄桂兰派出的三营清军于半路得悉扶朗已失，折回北宁。扼守扶朗的清军向西退至桂陽时，黑旗军一部赶到，与之并力堵截法军，使其前进受阻。黄桂兰调扼守三江口一带的党敏宜所部八营回防北宁；党敏宣避战自保，拒不执行命令。
3月11日，法军第一旅在北宁东南方向渡过新河，与第二旅会合，准备次日从北、东、南三面会攻北宁。
3月12日，法军第二旅一部在舰炮火力支援下，向桂陽、春水等地进攻；第一旅迅速向西机动，从北宁南面发起攻击；第二旅另一部由水路绕至城北，企图夺占涌球（今答求，北宁东北四公里），切断清军后路。涌球对北宁的防御有重要作用。据当时随军者记述：该处“有河宽十丈，深八尺，轮船可至河边。有土山两座，商民无不言，敌若据此山，将开花炮近指入城，点滴不差，昼夜不绝，则城断难守”①。可是，黄桂兰只派陈朝纲两营守涌球，直至3月11日，才调黑旗军千人加强该处防御，并挖地营（有被覆的野战掩体）十座。但是，第二天早晨黄又突然变计，将黑旗军调离涌球。就在这天下午，法军第二旅轻取涌球，“曳炮阜顶，俯击北宁城。弹三落，城市哗奔，越官张登憻等开城遁”②。正在城外督战的黄桂兰、赵沃见情况紧急，竟放弃指挥，分别向谅江、太原方向逃跑，清军顿时全线溃散。黑旗军及少数清军试图抵抗，因大势已去，不得不撤往太原。黑旗军不久又从太原返回兴化。
3月15日起，法军分路追击清军。至19日，谅江、郎甲（今盖夫）、太原相继失守。东线清军被迫退至山区，大部溃散①，余部集结于谅山、镇南关一带。
4月初，法军为转移兵力夺取兴化，主动放弃太原，仅以少数兵力在郎甲一带筑垒防守，主力经河内向山西集中。岑毓英闻风丧胆，随即将滇军主力后撤至保胜、河口一带，于是，兴化、临洮、宣光一线不久就被法军占据。至此，法国侵略军达到了占领红河三角洲全部重要城市的战略目的。
北宁作战，是双方在第一阶段中的主力决战。清军东路主力二万余人，全聚于此，为数不为不多，经营防备，不为不久。其所以一触即溃，主要是由于清廷墨守其消极应付的战争指导造成的。山西失陷后，清廷仍只是要求前敌将领“严饬各军，力保完善之地，毋使再行深入”②，以致在山西战后至北宁作战前的一个多月时间内，东线清军竟无所作为，坐待法军增兵进攻，各个击破。其次，作为东线指挥官的徐延旭，“平日既无调度之方，临事复无应变之策”③，前线指挥一概由彼此不和的黄桂兰、赵沃二人负责，以致北宁失陷前一日，对于前线紧急情形一无所知，失后两日，仍未得信。为此，清廷责备他“于前敌军情，形同聋聩，殊堪痛恨”④。以如此昏庸之辈指挥一个方向的作战，要想取得胜利当然是不可能的。此外，桂军临战扩兵，缺乏训练，纪律涣散，也是北宁失守的重要原因之一。徐延旭筹办广西边防以来，广西防军由原来的十余营增至五十余营；但求多而不求精，以致粮饷不敷，兵无斗志，且未经训练，不习火器。尤有甚者，将弁贪污腐化，毫无纪律，“此次法人进攻北宁，不过遥遥相击，并未逼攻城池，该军弁勇有室家者居半，吸食洋烟者居半，闻警先携妇女逃走，致使军械饷银概以资敌”①。
四、《中法简明条约》的签订
山西、北宁之战以后，清廷下令将徐延旭、唐炯等人革职查办，党敏宣等军前正法，以署湖南巡抚潘鼎新为广西巡抚，以贵州巡抚张凯嵩为云南巡抚，以前福建布政使王德榜署理广西提督，并命原广西提督冯子材速赴前敌，接替黄桂兰统率关外各营。西太后还乘机把战败的责任推到和她有矛盾的首席军机大臣恭亲王奕诉身上，更换全部军机大臣，命礼亲王世铎管理军机处，并让她的妹夫、光绪帝（载湉，谥德宗）的生父醇亲王“会同商办军机处要政”，又任命贝勒奕（后封为庆亲王）主持总理各国事务衙门。
但是，清廷关于中央和前线人事方面的变动，仅仅是为了掩饰败绩，丝毫不意味抗战决心的加强；相反，前线的军事失败，给了主和派以可乘之机，李鸿章等又加紧进行妥协求和活动了。为迎合法国侵略者的意图，李鸿章通过总理衙门，任命淮系的李凤苞接替湘系的曾纪泽（主战派）为驻法公使，以便为和谈铺平道路。法国也希望有一段休整时间，因而趁北圻取胜的有利形势，一面扬言进攻广州，一面加紧向清廷诱和。
1884年5月11日，李鸿章与法国海军中校福禄诺在天津签订《中法简明条约》。其主要内容是：（一）中国承认法国占有全部越南；（二）中国将驻北圻的军队调回边界，并对越法之间所有已定与未定条约一概不加过问；（三）法国不索赌款，但商品可从云南、广西输入中国内地；（四）法国答应在与越南订约时，决不出现有损中国体面的字样；（五）三个月后，双方各派全权大臣，照以上各节，制定详细条款。6月6日，法国又强迫越南签订了第二次《顺化条约》，以确定对整个越南的殖民统治。《中法简明条约》的签订，标志着中法战争第一阶段的结束。