- Đầu năm 1887, thấy thực lực nghĩa quân Hương Khê quá suy yếu, Phan Đình Phùng giao quyền chỉ huy cho Cao Thắng để ra Bắc đến các tỉnh Sơn Tây, Hải Dương, Bắc Ninh,...tìm sự hỗ trợ và liên kết lực lượng.
- Ở lại Hà Tĩnh, Cao Thắng cùng các chỉ huy khác như Cao Nữu, Cao Đạt, Nguyễn Niên,...đem quân đến làng Lê Động (Hương Sơn) để tổ chức lại lực lượng, luyện quân, xây dựng hệ thống đồn lũy, rèn đúc vũ khí,...
- Cuối tháng 9 năm 1889, Phan Đình Phùng từ Bắc Kỳ trở về Hà Tĩnh. Nhờ Cao Thắng và các chỉ huy khác, mà lực lượng lúc này đã có khoảng ngàn lính và 500 khẩu súng tốt. Nhận thấy trong công tác chuẩn bị, mọi mặt đều đã khá, Phan Đình Phùng bèn cho mở rộng địa bàn hoạt động ra khắp bốn tỉnh là Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Bình; làm cản trở con đường đi lại Bắc-Nam và công cuộc thôn tính nước Việt của quân Pháp.
- Đối phó lại, thực dân Pháp cho bố trí nhiều đồn lẻ ở các nơi để phong tỏa từng khu vực và kiềm chế hoạt động của nghĩa quân. Riêng ở Hương Khê, đối phương đã cho lập tới 20 đồn, mỗi đồn có khoảng 30 lính đóng giữ .
- Trong những năm từ 1889 đến 1892, nghĩa quân bốn tỉnh trên đã phối hợp và hoạt động mạnh trên một vùng rộng lớn bao gồm Diễn Châu, Yên Thành, Thanh Chương, Nghi Lộc,...để đánh trả và quấy rối quân Pháp. Theo sách Việt sử tân biên, thì nghĩa quân đã tổ chức được 28 trận lớn nhỏ trong giai đoạn này, để tập kích và chống càn quét, như là:
+ Trận chống càn ở Cồn Chùa và Khe Đen do Đề Niên (Phan Bá Niên) chỉ huy vào ngày 1 tháng 9 năm 1889.
+ Trận tấn công đồn Dương Liễu vào ngày 15 và 16 tháng 12 năm 1889.
+ Trận tấn công huyện lỵ Hương Sơn vào cuối tháng 12 năm 1889.
+ Trận chống càn ở La Sơn và Thường Sơn do Đề Thăng và Phan Trọng Mưu chỉ huy vào tháng 3 năm 1890.
+ Trận phục kích đánh chặn quân Pháp tại làng Hốt (Phú Lộc, Can Lộc) do Đốc Chanh (Nguyễn Chanh) và Đốc Trạch (Nguyễn Trạch) chỉ huy vào tháng 4 năm 1890.
+ Trận Trường Lưu (Can Lộc) vào đêm 26 rạng 27 tháng 5 năm 1890. Đến đêm 31 tháng này, đồn Trường Lưu còn bị nghĩa quân đánh lần nữa, rồi tiếp theo là đánh đồn Hương Sơn, v.v...
- Sau nhiều trận thua đau, kể từ đầu năm 1892 trở đi, thực dân Pháp cho mở nhiều cuộc càn quét, trong số ấy đáng kể là trận càn lớn vào khu Hói Trùng và Ngàn Sâu, là căn cứ của Cao Thắng, vào đầu tháng 8 năm 1892.
- Để đối phó với quân Pháp, Phan Đình Phùng bố trí một lực lượng chống trả tại chỗ, một nhóm khác đi hoạt động ở phía sau lưng đối phương, buộc họ phải rút về vì sợ bị đánh tập hậu. Trong khoảng thời gian này, đã xảy ra nhiều trận giao tranh, đáng kể là trận:
+ Ngày 7 tháng 3 năm 1892, nghĩa quân Hương Khê tiến đánh đồn Trung Lễ. Sau đó, Bá hộ Thuận (Nguyễn Hữu Thuận) còn tiến đánh huyện Thạch Hà, bắt được viên tri huyện. Còn Cao Thắng thì cho quân giả làm lính khố xanh bắt sống được Tuần phủ Đinh Nho Quang.
+ Đêm 23 tháng 8 năm 1892, nghĩa quân Hương Khê do Bá hộ Thuận (Nguyễn Hữu Thuận) chỉ huy đã táo bạo tập kích vào tỉnh lỵ Hà Tĩnh, phá được nhà lao và giải phóng hơn 70 nghĩa quân bị cầm tù.
- Thấy nghĩa quân Hương Khê ngày càng lớn mạnh, quân Pháp một mặt tăng cường càn quét, thu hẹp phạm vi hoạt động của quân, mặt khác tìm cách cắt đứt liên lạc giữa các quân thứ, và giữa nghĩa quân với nhân dân.
- Để phá thế bị bao vây và mở rộng địa bàn hoạt động, được Phan Đình Phùng đồng ý, tháng 11 năm 1893, Cao Thắng đưa khoảng một ngàn quân từ Ngàn Trươi mở trận tấn công lớn vào tỉnh lỵ Nghệ An. Trên đường hành quân, nhiều đồn trại đối phương bị phá bỏ. Nhưng trận tấn công đồn Nu ở Thanh Chương (một huyện miền núi nằm ở phía tây nam thuộc tỉnh Nghệ An), Cao Thắng bị thương nặng rồi hy sinh lúc 29 tuổi, gây tổn thất lớn cho nghĩa quân Hương Khê.
- Lợi dụng cơ hội nghĩa quân bị mất người đứng đầu tài giỏi, quân Pháp tăng thêm binh lực rồi siết chặt vòng vây. Nghĩa quân Hương Khê cố gắng đánh trả những cuộc vây quét, nhưng thế lực của lực lượng ngày càng giảm sút.
- Khoảng cuối năm này (1893), Phan Đình Phùng cho người đến vây nhà Trương Quang Ngọc ở làng Thanh Lang, thuộc huyện Tuyên Hóa, chém lấy đầu ông này để báo thù cho việc ông bắt vua Hàm Nghi giao cho quân Pháp
- Ngày 31 tháng 3 năm 1894, Bá hộ Thuân lại mang quân tập kích vào tỉnh lỵ Hà Tĩnh lần nữa, nhưng sau đó phải rút lui về cố thủ tại núi Quạt và núi Vụ Quang thuộc Hương Khê (nay thuộc huyện Vụ Quang).
- Khoảng tháng 10 (âm lịch) năm Giáp Ngọ (1894), một đại thần thân Pháp là Hoàng Cao Khải bắt tay vào việc khuyến dụ Phan Đình Phùng và nghĩa quân của ông.
- Năm 1895, thực dân Pháp điều võ quan thân Pháp là Nguyễn Thân đến phối hợp với công sứ Nghệ An là Duvillier đem ba ngàn quân đi đàn áp cuộc khởi nghĩa Hương Khê. Quân chủ lực của Phan Đình Phùng bị đối phương bít đường tiếp vận, nên vũ khí, lương thực, quân số thảy đều thiếu thốn, khó bù đấp. Mỗi lần đối phương tấn công, nghĩa quân chỉ có thể chạy quanh từ núi Quạt rồi trở về núi Vụ Quang, và không thể ở đâu lâu quá ba ngày.
- Ngày 17 tháng 10 năm 1894, Phan Đình Phùng đã tập hợp lực lượng, đánh thắng một trận lớn, đối phương mất nhiều vũ khí và bị giết chết rất nhiều. Khởi đầu, ông cho quân lên tận nguồn sông chặt cây đóng kè chặn nước lại, đồng thời chuẩn bị sẵn nhiều khúc gỗ lớn. Khi quân Pháp và quân triều đến giữa dòng sông, thì ông cho phá kè trên nguồn, và tuôn cây xuống. Đối phương phần bị nước cuốn, phần bị cây lao vào người, lại bị nghĩa quân ở hai bên bờ xông ra đánh nên bị thương vong rất nhiều. Theo nhà sử học Phạm Văn Sơn thì sau trận này, phía Pháp ngoài số quân trang và đạn dược bị mất mát, còn có ba sĩ quan và trên trăm lính bị tiêu diệt .
- Đây là trận thắng cuối cùng, vì gần ba ngàn quân do Nguyễn Thân cầm đầu ngày càng xiết chặt vòng vây.
- Trong một trận giao tranh ác liệt, Phan Đình Phùng bị thương nặng, rồi hy sinh vào ngày 28 tháng 12 năm 1895. Mười hai ngày sau khi thủ lĩnh Phan Đình Phùng mất, Nguyễn Thân mới tới được căn cứ Vụ Quang. Sau đó, Nguyễn Thân cho quật mồ Phan Đình Phùng ở chân núi Quạt, đổ dầu đốt cho xương thịt ông cháy thành tro, rồi trộn vào thuốc súng bắn xuống sông La.
- Sang đầu năm 1896, một số chỉ huy lần lượt mất vì ở lâu nơi rừng sâu nước độc, một số bị tử trận hoặc bị bắt rồi bị giết , một số khác thì rút qua Xiêm La hoặc ra hàng...Khởi nghĩa Hương Khê đến đây kết thúc.
- Cuộc khởi nghĩa Hương Khê là cuộc khởi nghĩa tiêu biểu nhất phong trào Cần Vương vì:
+ Lãnh đạo: Văn thân sĩ phu 4 tỉnh
+ Quy mô lớn, phân bố trên địa bàn nhiều tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình
+ Trình độ tổ chức cao, chặt chẽ (nghĩa quân chia thành 15 quân thứ), chế tạo được vũ khí mới (súng trường theo kiểu của Pháp)
+ Đường lối đánh linh hoạt nên đã đẩy lui được nhiều cuộc càn quét của địch.
