Vì Nguyễn Tri Phương không trả lời tối hậu thư, nên sáng sớm ngày 20/11/1873 Francis Garnier ra lệnh cho quân của Jean Dupuis đánh vào cửa Đông và cửa Bắc, còn quân của hắn thì đánh vào cửa Đông Nam, Tây Nam và Tây, bản thân hắn trực tiếp chỉ huy đánh cửa Đông Nam thành Hà Nội. Bị đánh bất ngờ, Nguyễn Tri Phương vội ra lệnh cho quân sĩ chiến đấu. Bản thân ông trực tiếp chỉ huy ở cửa Đông Nam, đúng cửa mà đích thân Garniertới đánh.
Cuộc chiến đấu không cân sức, giặc tràn vào, Nguyễn Tri Phương bị thương nặng, con của ông là Đô úy Nguyễn Lâm cùng với Hiệp quản Trần Văn Cát và Suất đội Ngô Triều vẫn xông ra và hi sinh tại trận. Khi giặc vào thành, Nguyễn Tri Phương không chịu để cho giặc băng bó. Người Pháp muốn chạy chữa cho ông nhưng bị từ chối, đến phút cuối ông đã nhờ tắm rửa sạch sẽ, mặc quần áo chỉnh tề và ung dung nói: “Nghĩa tôi là phải chết”, rồi ra đi một cách bình thản. Một nhà ba người cùng tự nguyện đi đánh giặc Pháp cứu nước và cùng hi sinh. Anh em, cha con Nguyễn Tri Phương là những người tận trung muôn thuở. Tấm gương của Nguyễn Tri Phương được Hoàng Diệu – người giữ thành kế nhiệm nhắc lại “Lòng cô trung thề với cô thành/ Chết mong theo Nguyễn Tri Phương dưới đất”. Sau cái chết của ông, ngọn lửa kháng chiến của nhân dân Hà Nội vẫn tiếp tục bùng cháy dưới sự chỉ huy của các sĩ phu, văn thân yêu nước. Ngày 21/17/1873 Garnier rơi vào trận địa phục kích, Francis Garnier cùng một số sĩ quan bị giết chết tại trận.
Tấm gương bất diệt của Hoàng Diệu và tinh thần chiến đấu dũng cảm, sáng tạo của quân dân Hà Nội chính là tiền đề cho những cao trào cách mạng trong thế kỷ XX ở Hà Nội và toàn quốc kháng chiến. Năm 1946, 63 năm sau ngày tuẫn tiết của Hoàng Diệu, thực dân Pháp một lần nữa đánh chiếm Hà Nội. Thanh niên thủ đô với tinh thần Hoàng Diệu cảm tử cho tổ quốc quyết sinh, đem xương máu bảo vệ Hà Nội, bảo vệ tổ quốc.
Nguyễn Tri Phương và Hoàng Diệu, tuy không sinh ra ở Hà Nội nhưng lại tận nghĩa vì Hà Nội. Để tưởng nhớ công lao của hai ông, chính quyền thủ đô Hà Nội quyết định lấy tên hai ông đặt tên cho hai con đường ở Trung tâm Hà Nội. Ngày 20-12-2003, thành phố Hà Nội cho lập đền thờ Nguyễn Tri Phương và Hoàng Diệu trên vọng lâu cửa Bắc.
