Đêm 22 rạng 23 tháng 5 âm lịch (tức đêm ngày 5 rạng ngày 6 tháng 7 năm 1885), Nguyễn Văn Tường và Tôn Thất Thuyết, vì thấy người Pháp khinh mạn vua mình như vậy, nên quyết định ra tay trước: đem quân tấn công trại binh của Pháp ở đồn Mang Cá. Đến sáng thì quân Pháp phản công, quân triều Nguyễn thua chạy, rời bỏ Kinh thành Huế. Tôn Thất Thuyết vào cung báo lại việc giao chiến trong đêm và mời vị hoàng đế trẻ Hàm Nghi cùng Tam cung lên đường. Nghe chuyện phải rời khỏi thành, vua Hàm Nghi đã thảng thốt nói:

Vua Hàm Nghi ngồi trong kiệu bị chao đảo liên tục, đầu bị va đập nhiều lần vào thành kiệu rất đau, sau cùng nhà vua phải xuống nằm trên võng cho lính cáng. Nguyễn Văn Tường cho người rước vua Hàm Nghi tới thành Quảng Trị để lánh nạn. Chiều ngày 6 tháng 7 thì cả đoàn mới tới Quảng Trị. Nhưng sau đó ông lại ra trình diện với quân Pháp. Tướng de Courcy hẹn cho Nguyễn Văn Tường hai tháng phải tìm cách để rước vua về. Nguyễn Văn Tường viết sớ ra Quảng Trị xin rước vua về nhưng Tôn Thất Thuyết cản thư không cho vua biết. Hết hạn hai tháng, cả gia đình Nguyễn Văn Tường bị de Courcy đày ra Côn Đảo, sau đó đưa tới đảo Tahiti ở Thái Bình Dương. Một thời gian sau Nguyễn Văn Tường qua đời, xác được đưa về Việt Nam. Ngày 9 tháng 7, dưới áp lực của Tôn Thất Thuyết, vua Hàm Nghi đành từ biệt Tam cung, lên đường đi Tân Sở.

Hàm Nghi ở Tân Sở rồi về vùng xã xa của 2 huyện Minh Hóa và Tuyên Hóa, Quảng Bình. Vua Hàm Nghi đã phải chịu nhiều khổ ải vì phải luồn lách giữa núi rừng hiểm trở, thời tiết khắc nghiệt, giữa muôn vàn thiếu thốn, bệnh tật, đói khát và sự hiểm nguy về tính mạng luôn đe dọa.[2] Tại Tân Sở, vua Hàm Nghi tuyên hịch Cần Vương kêu gọi sĩ phu và dân chúng nổi dậy chống Pháp giành độc lập. Sự ủng hộ, che chở giúp đỡ và tham gia nhiệt tình của đồng bào các địa phương từ Quảng Trị qua tới đất Lào cũng như trong vùng Hà Tĩnh, Quảng Bình đã cho Hàm Nghi thấy được vai trò của bản thân mình nên nhà vua đã không còn cảm thấy bị cưỡng ép như trước. "Nhà vua bị những gian lao mà luyện thành người nhẫn nại và đón cuộc phong trần bằng thái độ rất thản nhiên".[6] Dân chúng nổi dậy rất đông, nhưng vì rải rác các nơi nên lực lượng không mạnh. Nhà vua đã hai lần xuống dụ Cần vương trong đó có một lần gửi thư cầu viện cho Tổng đốc Vân-Quý của triều Mãn Thanh và rất nhiều chỉ dụ khác tới các quan lại, lãnh tụ của phong trào chống Pháp. Tên của ông ta đã trở thành ngọn cờ của nền độc lập quốc gia... Từ Bắc chí Nam, đâu đâu dân chúng cũng nổi lên theo lời gọi của ông vua xuất hạnh.[7]

Trong suốt thời gian kháng chiến của vua Hàm Nghi, vua anh Đồng Khánh và 3 bà Thái hậu liên tục gửi thư kêu gọi vua trở về nhưng ông khẳng khái từ chối. Toàn quyền Pháp ở Đông Dương là Paul Bert cũng đã định lập Hàm Nghi làm vua 4 tỉnh Thanh Nghệ Tĩnh Bình nhưng cũng không thành. Nhà vua thường nói mình ưa chết trong rừng hơn là trở về làm vua mà ở trong vòng cương tỏa của người.[6] Tại căn cứ địa lãnh đạo phong trào Cần Vương, vua Hàm Nghi được Tôn Thất Thuyết cử con là Tôn Thất Đạm và Tôn Thất Thiệp hộ giá bảo vệ, cùng Đề đốc Lê Trực, Nguyễn Phạm Tuân chia nhau phòng thủ và tấn công lực lượng Pháp trong vùng.

Tháng 9 năm 1888, suất đội Nguyễn Đình Tình phản bội ra đầu thú với Pháp tại đồn Đồng Cá. Nguyễn Đình Tình lại dụ được Trương Quang Ngọc về đầu thú. Sau đó Nguyễn Đình Tình và Trương Quang Ngọc tình nguyện với Pháp đem quân đi vây bắt vua Hàm Nghi. Đêm khuya 26 tháng 9 năm 1888,[8] vua Hàm Nghi bị bắt khi đang ngủ, Tôn Thất Thiệp bị đâm chết. Khi đó, ông mới 17 tuổi, chống Pháp được ba năm. Nhà vua đã chỉ thẳng vào mặt Trương Quang Ngọc mà nói rằng:

Từ đêm hôm đó ở bờ khe Tá Bào, huyện Tuyên Hóa (nay là huyện Minh Hóa) tỉnh Quảng Bình, Trương Quang Ngọc mang vua Hàm Nghi về các đồn Thanh Lạng, Đồng Ca rồi sang Quảng Khê và đến đồn Thuận Bài vào chiều ngày 14 tháng 11 năm 1888. Quân Pháp tổ chức chào đón vua rất long trọng nhưng vua đã tỏ ra không hiểu, không nhận mình là Hàm Nghi. Viên Trung úy chỉ huy quân đội Bonnefoy đã chuyển bức thư của Tôn Thất Đàm gửi cho vua Hàm Nghi xem nhưng nhà vua ném lá thư xuống bàn và làm như không có can hệ gì đến mình. Viên Đề đốc Thanh Thủy là Nguyễn Hữu Viết được Pháp cử tới để thăm hỏi và nhận mặt thì nhà vua giả như không hay biết. Nhưng khi người Pháp đem thầy học cũ là Nguyễn Nhuận đến xem thì nhà vua vô tình đứng dậy vái chào. Đến lúc đó thì người Pháp mới yên trí đó là vua Hàm Nghi. Từ Thuận Bài, người Pháp chuyển vua Hàm Nghi qua Bố Trạch rồi vào Đồng Hới và tới cửa Thuận An ngày 22 tháng 11 năm 1888.

Lúc này, triều đình Huế đã biết tin Hàm Nghi bị bắt, vua Đồng Khánh sai quan lại Thừa Thiên và bộ Binh ra đón để đưa về Huế. Nhưng người Pháp sợ dân tình sẽ bị kích động khi thấy mặt vị vua kháng chiến nên đã báo cho Viện Cơ mật rằng vua Hàm Nghi lúc này tính tình khác thường, về kinh e có điều bất tiện, cần phải đưa đi tĩnh dưỡng nơi khác một thời gian. Kỳ thực người Pháp đã có quyết định dứt khoát với vị vua kháng chiến này là đày sang xứ Algérie ở Bắc Phi. Rheinart đã báo cho ông biết là Thái hậu đang ốm nặng, nếu nhà vua muốn thăm hỏi thì sẽ cho rước về gặp mặt. Nghe vậy, vua Hàm Nghi đáp: "Tôi thân đã tù, nước đã mất, còn dám nghĩ gì đến cha mẹ, anh em nữa", rồi ông cáo từ về phòng riêng.