而清军情报系统落后，兼举国上下普遍缺乏现代科学知识。所以清军将领的战争决策，主要靠主观上的判断，与客观经验的积累。前几战，法军的战法多系避开正面、迂回侧翼，所以这一战清军在部署上就比较注重北黎与车里两翼的守备。结果数十营大军散布在辽阔的战线上，相互不能支援，中央位置的重镇谅山仅驻扎潘鼎新直接指挥的三千余兵力，其正面屏障则为苏元春部疲兵倦卒。所有这一切都瞒不过法军的情报机构，本着敌变我变的精神，波里也遂决定此战一反故技，先以少量兵力佯攻车里及观音桥两翼，吸引清军注意力，同时集中8000主力（包括约翰尼奈利的第一旅和尼格里的第二旅），在六个炮兵中队的火力支援下，取谷松正面直攻谅山。
十二月十四日，法军的谅山远征军组建完毕。十九日，法军主力由船头、陆岸北上，二十日，先头部队与苏元春的前锋陈嘉所部六营发生了遭遇战。法军以90人的伤亡，将该部清军逐退。显然，法军即将攻击距谅山仅120里处的谷松，但是否这就是主力进攻，潘鼎新一时还拿不准，于是只调了驻守屯梅的记名提督董履高部淮军龙字营前往支援。二十一日，法军挥师猛攻谷松，激战至二十二日，鉴于伤亡太大，工事被毁，清军被迫退守谅山南方二十余里处的委坡。法军以伤亡182人的代价，攻克了谷松。
现在潘鼎新终于意识到，“谷松-谅山”就是法军的主攻击轴线。潘鼎新一面亲率亲兵及总兵叶家祥所部五营淮军驰援委坡，一面飞调外围清军分路抄击法军后路，又催冯子材部迅速出关会剿。但为时已晚，措手不及之下，潘、苏二部于外围死战六昼夜，终于无法阻止法军对谅山的合围。
值得一提的是，在法军对谅山发起最后的总攻时，由于晨雾过大，法军的火炮一度无法瞄准射击，双方士兵全靠步枪火力较量。其中有一支装备了雷明顿式连发步枪的淮军，在局部战斗中成功压制了使用老式步枪的法军。清军的这一成功得益于李鸿章战前的一次开明选择。当时，面对美国军火商带来的新式雷明顿连发步枪，李鸿章以其对新事物的开明表示了接受。而同时期的法国陆军却固执于现有老式装备。结果就是在此次谅山战斗中，装备连发枪的清军连续打退法军的三次冲锋。
战斗最激烈时，清军的步枪子弹甚至射进法军第二旅的指挥部，波里也的传令官波桑上尉，第一旅的炮兵指挥官列夫拉相继中弹毙命。
可是战争的胜负取决于整个系统的较量，而非一两件新式武器的孤立表现。
具体到这一战，未等法军的火炮轰鸣，清军便已丢了阵地。因为他们的弹药已经用尽，清军为他们落后的后勤系统付出了惨痛的代价。而大雾消散后，法军火炮猛烈而准确的打击，则彻底瓦解了清军的抵抗。
弹尽粮绝，精锐损失殆尽，潘鼎新被迫于十二月二十九日（2月13日）放弃了北越重镇谅山。是役法军伤亡386人，另500余人因病丧失战斗力，清军据说“营员弁勇伤亡千余”，但算上非战斗减员，实际损失尚不止此数。
谅山一失，关外战事遂不可问。波里也乘机亲率第一旅西援宣光。尼格里则率第二旅北上追击溃败的清军。结果，两路均获大胜。
宣光解围
西线法军少时仅500人，多时亦不过700，坐守孤城近半年，顶住万余清军的环攻，原因大要有五点：
一、装备精良；
二、训练有素；
三、地势险要，建在陡峭山丘上的宣光城，俯瞰明江，每面筑有300米长的石质城墙，随时可获得明江上法军舰艇的支援；
四、工事坚固而清军又无攻城重炮；
五、多米尼指挥有方。
反之，清军多则多矣，勇亦勇矣，无奈枪不如人，炮不如人，组织训练后勤样样不如人，想单靠一句“不怕死”取胜。真是比登天还难。
鉴于攻坚无效，岑毓英决定将作战重心由攻城改为打援，以宣光为诱饵，利用外围有利地形，集中兵力于左育一线，提前构筑坚固工事，伏击法军增援部队。从战术上讲，这个决定当然是正确的。但是，从全局而言，这个决定必须靠一个基本前提才能成立，那就是法军的主攻方向必须是西线。但遗憾的是，越来越多的情报显示，法军下一轮的打击重心还是东线。
如此一来，如果西线以打援为主，只能是坐看己军被逐个击破！
但是，若认为清军已经别无选择，则又不然。其实，只要允许潘鼎新以国境线为主防线，作弹性防御，则全盘皆活。届时，法军在东线进攻，清军便后撤，诱敌深入。法军如继续进攻，清军即可在镇南关一线厚集兵力与之决战。从后勤上讲，镇南关无疑远胜于谅山。如法军转向西线，岑毓英的打援计划即可实施，东线清军则南下攻击法军侧后。如此方可避敌之长击其之短。
但是，东线作弹性防御，根本不能为当时的舆情政论所接受，关外清军也只有死里求生。
1月底，鉴于法军在东线的新一轮攻势即将发起，得到唐、丁两部援军加强的西线清军，决定对宣光发起强攻，以支援潘鼎新的东线。
十一月十八日（1月3日），唐景崧与丁槐至刘永福处共商下一步行动。两天后，岑毓英正式决定，由唐、丁两部攻城，刘部打援。同时，清军诸将终于认清水路的重要性，得出结论应由打援军全力截断水路。
在刘永福的努力下，水路暂时被切断，守城法军一度只有靠漂流瓶与外界联络。但如法军大举来源，刘永福强调己军势单力薄，难以独力完成打援计划，故岑毓英遂将即将开往前线的何秀林部3600人援军派往协助打援。
十二月初八（1月23日），唐景崧与丁槐会商后决定，攻城时间定在十二月十一日，丁军主攻，方向为宣光南门；唐军助攻，方向为宣光东门。
十一日（26日）夜三更，丁槐军率先发起了进攻，攻入了法军南门外的几个孤立据点，并开始纵火。东门外的唐军亦发起进攻，但不幸陷入法军城头步枪火力、城外高地炮台炮兵火力与明江上的炮艇舰炮火力的三面夹击中，唐军猛将管带谈敬德（字克昌，湖南沅江县人）以下百余人阵亡，伤者倍之。
双方激战三个多小时，清军终于无法突破法军的火网。此后两天，清军继续攻城，但只是徒增伤亡。
鉴于双方火力差异太大，丁槐提出以滇军拿手的“滚草龙”战法，先攻克法军炮台，再攻城。
所谓“滚草龙”战法，即在守军炮台外数百丈处挖掘类似于散兵坑式的掩体，积土为垛，遮蔽敌军枪弹。然后横向延展，将孤立的土坑连成长壕，隐藏士兵。
待聚集一定数量的士兵后，就发起总攻。届时，士兵手持事先准备好的三尺长的草把，“计数万束，滚掷而进。草把墙立，人不受枪，草压炮台，即可立破”。
鉴于攻城战的激烈，本该协助打援的何秀林部3600人援军，也转而参加了这一轮攻城。
丁、何两军负责挖掘战壕，唐军则负责捆扎草把。十三日（28日）夜三更时分，清军开始在西城外法军炮台前二百丈处施工，五更挖成二百丈长的战壕一条。次日，清军即以滚草法前进。十五日晨，清军已推近至法军炮台外数丈处。
当时的法军还不具备二战期间美军的火力密度，所以面对此等战术束手无策，只有待清军逼近后发起反突击。但法军人数有限，所以反击力度有限，清军亦毫不示弱，经苦战终于击退法军。法军无法应对清军的新战术，只有放弃城外炮台，撤回城内。
至此，城西、南、北三面的法军外围据点均为清军控制，只有东城因明江环绕而成为唯一的缺口。但随着刘永福塞河工程的展开，法军终于陷入四面被困的绝境。
但是，滚草龙战法无法用于城墙攻击，战斗遂再度陷于僵持状。由于法军火力强大，清军在白天的任何大队行动，都会招致准确而猛烈的炮击。夜袭敢死队若天亮仍攻不进去，往往在法军火力遮断下亦无法撤回，只有“仍伏城根，而以城外据岭之兵燃枪击堞，使虏不得凭堞偷击城下，兵待夜始撤回”。同样由于法军火力强大，饭也送不上去，只有用布裹饭“掷面前”。“后因粮少食粥，不能掷，辄饿竟日。”
这期间，丁槐又提出以地雷爆破法附以地道突击攻击城墙工事。但是，引爆地雷“须待天明方窥见缺口所在，以便扑攻。我军竹梯、草捆攻城，利在黑夜，使敌莫测。故待雷发始肉搏奋攻，伤亡辄众”。
清军在十二月二十八（2月12日）、二十九（13日），正月初八（22日）、初九（23日）以地雷爆破法加地道突击连续攻城，终无效。而此时东线谅山已失，法军主力西移不过时间问题，岑毓英担心如不及时撤围，被法军前后夹击，必致全盘崩溃！所以他指示宣光围城军“相机撤师，勿拼孤注”。但北京方面却继续严饬攻城。
前线众将左右为难中，在初十（24日）、十二（26日）、十三（27日）又连续发起持续猛攻。但死伤枕籍，城仍不破，诸将也只有徒呼奈何。
而只要宣光在法军手中，清军东西两线就无法会师，别说钳型攻势，就是防御上的相互配合也是不可能的。
一旦波里也大举西进，围城军也只有狼狈撤围一途。
正月十三（2月27日），波里也亲率援军抵达端雄。清军这才停止攻城，以刘永福部在左育正面阻击，覃修纲部2000人进驻临洮附近，伺机趋端雄，抄袭法军后路。
但是，法军之交通线实在水上，端雄城高池深，难以攻破，所以所有重压一时全在刘永福一军之上。所幸正月十六（3月2日）、十七（3月3日）两日，8月刚被清廷正式封为记名提督并赏戴花翎的刘永福奋余勇，率二千余黑旗军，及何秀林部滇军1000援军，在离宣光十余里的左育，顽强阻击，使四千余西援法军付出了伤亡467人的空前代价（一说伤亡387人，内76人战死）。这才使围城军得以及时撤围，虽败未溃，稍一整顿后，利用数量优势与西线复杂的地形，与法军大打游击战，波里也的大军如狮子捉蚊，一时竟无处下力。
西线战事一时陷于胶着状态，这就意味着东线法军在相当一个时期内，只有孤军作战。这意味着什么，我们马上就将看到。
山穷水尽
正月初九（2月23日），尼格里率所部三千余人直捣镇南关，另动员越南苦力万人运送子弹粮食。这就意味着战火将从陆地烧到中国本土。对法军而言，这无疑是一次实施战略威慑的大好时机。正面撤退的清军屡败之下，已难以成军。
外围王、冯诸军则离关尚远。杨玉科也只有一边请援，一边将七残八落的残兵败将聚齐起来，据关死守。
是役之惨烈超乎想象，自杨玉科以下，1名记名提督，1名副将，1名游击，3名都司，9名千总悉数阵亡，当最后一名指挥官也在法军猛烈的火力下尸横疆场时，守军遂放弃阵地，一路溃逃而去。
法军遂以死9人，伤四46人的代价攻取镇南关。获胜后，法军派工兵爆掉了镇南关的城墙工事，并在废墟上立了一根柱子，用华语写下：欲扞边境，无用石城，须行条约。
由于法军并没有继续深入的计划，所以尼格里完成这一切后，遂主动放弃镇南关，退往文渊，构筑炮台，静待中方重新回到谈判桌前。
在从谅山到镇南关所有这些激战期间，被国人寄予厚望的王德榜军，和张之洞信任的冯子材军在干什么呢？谅山之战前，王部奉命奇袭船头，以收围魏救赵之策，作战无效后就与总部失去了联系，再联系上已是镇南关失守之后了。至于冯子材部与另一支淮军劲旅——王孝祺部，则由于未能及时收到新的密电码，根本不知道从张之洞到潘鼎新令他们飞援的目的地何在，而只能跑来跑去。等到谅山失守，冯子材这才意识到情况不妙，遂急驰镇南关。不料潘鼎新轻信了张之洞“法意在全占越境，断不轻入华界”的情报，明告冯子材“守关无须萃军”，你们还是回越南支援东路守备重要，于是便有了杨玉科殉国的悲剧。
关外大败，国内舆论一片哗然。皇太后盛怒之下，光绪十一年二月初八上谕，将潘鼎新与王德榜革职。二人的替代者分别是李秉衡（这也是开战来的第三任挂抚，若从中法矛盾激化算来，则已为第四任）与苏元春（督办广西军务），这也是自越南问题提上日程以来的第三轮换马。
可是，关山重重，交通落后，皇太后的冲天怒火，注定要再过一个月才能传到，就在这短短一个月内，战局将再来一个一百八十度的大逆转。这个逆转，茹费理没想到，李鸿章没想到，皇太后、张之洞、潘鼎新、波里也、尼格里，同样都未想到。
柳暗花明
自第一次镇南关之战后，边省军民已成惊弓之鸟。自镇南关到龙州，“逃军、难民蔽江而下，广西全省大震。”游勇更乘机四掠，以至广西全省陷入空前的恐慌中。对法国而言，这无疑是一个停战的大好时机。事实上，早在中法北圻战火重燃的十一月底，搁置已久的和谈就已重新有了眉目。
在赫德的授意下，正在巴黎与法方交涉中国海关被扣船只事件的金登干，与茹费理进行了试探性接触。双方最终均同意重新回到“天津协议”这个起点上。
剩下的只是细节拟定问题。
平心而论，以当时的军事形势而言，法国的这个让步不可谓不大。更不应忘记，法国军事力量的大头，至今尚未动用。显然，茹费理在思考战后的东方格局，更不想失去中国这个大市场。
可是如果战争真的就这么结束了，那么大清国可也不免太失败了。早知如此，何必当年负气？现在钱也花了，仗也输了，面子也没了，最后的和平还是对手施舍来的，不失败吗？太失败了。
