Ngày 16.8.1883, Pháp cho quân tiến hành trinh sát các công sự phòng ngự của triều đình Huế tại cửa biển Thuận An. Theo thông tin tình báo quân Pháp gửi về, các công sự của triều đình Huế ở trong tình trạng tốt, ngoài ra còn có công sự phòng ngự trên đỉnh các ngọn núi hướng ra biển. Lính khố vàng cũng được lệnh đào các vị trí ẩn nấp trên bãi biểnvà đào hào lũy. Triều đình Huế cũng cho dựng đập phòng ngự nhằm chặn bước tiến của thủy quân Pháp ở cửa Thuận An.

Tối 16.8, tàu thiết giáp Bayard, tuần dương hạm Château Renaud, Annamite và Lynx tập kết tại cửa Thuận An. Ngày hôm sau, tiếp đến là các tàu thiết giáp Atalante, pháo thuyền Vipère và tàu hộ tống Le Drac. Tàu Annamite chở 600 lính hải quân đánh bộ từ Nam kỳ, 100 lính khổ đỏ Nam kỳ, một dàn pháo cùng 100 binh phu.Các tàu chiến của Pháp đã sẵn sàng tấn công, được lệnh néo im (tàu nằm theo một phương nhất định, thường bằng cách thả hai neo đằng mũi và đằng lái) trong suốt chiều ngày 18.8 trước cửa Thuận An.

Vào lúc 4 giờ 30 phút sáng ngày 18.8, lệnh khai hỏa được đưa ra. Quân lính triều đình Nguyễn ào lên tấn công nhưng vấp phải đạn đại bác của quân Pháp. Khói pháo và bụi bay mù mịt. Hải đồn của triều đình Nguyễn bốc cháy. Quân triều đình An Nam chống trả quyết liệt, nhiều đại bác của họ bắn đi quá xa, vượt qua cả vị trí tàu chiến Pháp, tàu Bayard bị trúng đạn nhiều lần. Tàu Vipère bị trúng đạn ở vị trí gần hải đồn phía Bắc, đạn quân triều đình bắn liên tiếp quanh tàu. Tàu này tuy bị trúng đạn nhưng vẫn tiếp tục khai hỏa dưới sự chỉ huy của Trung úy Lejard (sau đó được phong Đại úy). Các đợt bắn pháo kết thúc khi đêm xuống.

Ngày 19.8, trận đánh tiếp tục và kéo dài trong 1 giờ. Lúc 5 giờ 30 phút sáng ngày 20.8, quân Pháp tiếp tục tấn công và 15 phút sau, trong giai điệu của bài quốc ca LaMarseillaise, các toán quân Pháp dưới sự chỉ huy của Đại úy hải quân Parrayon rời tàu đổ bộ lên bãi biển. Số quân đổ bộ gồm hai phân đội và một số đại đội lính đổ bộ của hải đội. Lúc 6 giờ 10 phút, dưới sự yểm trợ của hai tàu chiến Lynx và Vipère, được giao nhiệm vụ quét sạch bãi biển, lính Pháp đổ bộ lên bãi biển. Quân triều đình Huế từ dưới hào lũy xông lên chiến đấu quyết tâm đẩy lùi quân Pháp, nhưng bất chấp mọi nỗ lực của họ, các hải đồn tại cửa biển nhanh chóng bị quân Pháp bao vây.

Trung úy hải quân Poidloue dẫn đầu lính hải quân của tàu Atalante cùng dàn pháo gồm hai khẩu tiếp tục truy đuổi quân triều đình Huế. Với sự yểm trợ của một toán lính hải quân đánh bộ, chỉ huy Parayon hành quân tiến về hải đồn chính, nơi đặt khẩu pháo đại bác cỡ nòng 65 mm và bắt đầu cuộc tấn công.

Quân Pháp nhanh chóng giành chiến thắng. Ba đại đội gồm 250 lính cùng với 100 lính khố đỏ Nam kỳ đặt dưới sự chỉ huy của các Đại úy Radiguet, Mouniet và Sorin.

Vào lúc 8 giờ sáng ngày 20.8, toàn bộ quân Pháp đã đổ bộ lên bờ, thủy thủ và lính hải quân đánh bộ tập hợp lại cùng với số lính Pháp đổ bộ trước đó hiện đóng quanh các hải đồn. 9 giờ sáng, Đại uý hải quân Parrayon chỉ huy toàn bộ quân Pháp, cùng với hai sĩ quan Gourdon, Olivieri thuộc tàu chiến Bayard và De la Bastide là những người đầu tiên đi vào các hải đồn và vào lúc 9 giờ 5 phút, cờ Pháp bay trên các công sự của quân triều đình Huế. Trung úy hải quân đánh bộ Curzon bị thương trong khi có đến 600 quân triều đình Huế bị chết. Chiều ngày 20.8, hai tàu Vipère và Lynx vượt qua bãi phòng ngự dựng chặn ở cửa Thuận An và vấp phải đạn pháo bắn trả của quân triều đình Huế đang cố thủ trong số hải đồn chưa bị chiếm tiếp tục chiến đấu ngoan cường. Cùng với hai chiến thuyền Bayard và Château Renaud, hai tàu Vipère và Lynx nhanh chóng dập tắt những loạt đạn bắn trả cuối cùng trong vô vọng của quân triều đình Huế. Đêm và sáng hôm sau (ngày 21.8), quân Pháp chiếm được toàn bộ hải đồn phòng thủ ở cửa biển Thuận An. Vài ngày sau, triều đình Huế cử đại thần phụ trách ngoại giao đến xin ngừng giao tranh và các thương lượng hòa ước bắt đầu.

Về cuộc tấn công cửa biển Thuận An, Đại Nam thực lục chép: “Nước Pháp phái đem tàu binh (8 chiếc) đánh lấy thành Trấn Hải cửa biển Thuận An. (Từ ngày 15 đến ngày 18, đánh bắn suốt ngày, quan giữ cửa biển là Lê Sỹ (Hữu quân), Lê Chuẩn (Thống chế), Lâm Hoành (Tham tri), Nguyễn Trung (Chưởng vệ) đều chết trận”.

Sau khi hay tin quan quân thua trận, thành bị mất, triều đình Huế buộc phải nghị hòa. Vị đại thần được phái đi ngoại giao xin giảng hòa lần này là Trần Đình Túc và Nguyễn Trọng Hợp. Thực lục chép: “Vua sai triệu gia Hiệp biện Đại học sĩ hưu trí là Trần Đình Túc (ở xã Bàn Môn, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên) cho lĩnh Thượng thư Bộ Lễ sung chức Toàn quyền đại thần; Thượng thư Bộ Lại sung Cơ mật viện đại thần là Nguyễn Trọng Hợp làm Phó, để đến sứ quán bàn định hoà ước”. Tuy nhiên, sau đó Nguyễn Trọng Hợp từ cửa Thuận An về nói nước ấy hẹn đến sứ quán Kinh thành định hoà ước.