Ngày 4 tháng 7 (tức 22 tháng 5 âm lịch), Tôn Thất Thuyết lệnh cho binh sĩ đặt đại bác hướng về phía tòa Khâm Sứ và đồn Mang Cá là hai địa điểm đóng quân của địch. Gần tối, Trần Xuân Soạn lần lượt cho đóng hết các cửa thành và đặt thêm súng thần công ở phía trên. Đêm đó, Tôn Thất Thuyết bí mật chia quân ở các dinh vệ làm hai đạo; một đạo giao cho em là Tôn Thất Lệ chỉ huy, nửa đêm dùng đò vượt sông Hương, sang hợp cùng với quân của Đề đốc thủy sư và Hiệp Lý đánh úp Tòa Khâm Sứ. Ngay trong đêm, họ đã phối hợp cùng 5.000 thủy binh của triều đình ở các trại dọc bờ sông để nổ súng tấn công. Pháo binh ở đông nam kinh thành Huế cũng nổ súng yểm trợ cho đội quân này.

Tôn Thất Thuyết cùng Trần Xuân Soạn ở bên này sông, sẽ chỉ huy đánh vào Trấn Bình đài; nhằm tiêu diệt đội quân tiếp viện của Pháp mới từ miền Bắc vào đang trú đóng ở đây. Ông còn cử một toán quân mai phục ở cầu Thanh Long, đề phòng Đại tá Pernot là người chỉ huy đội quân ở Mang Cá và các sĩ quan thuộc hạ ở Tòa Khâm Sứ về, qua cầu này thì đánh úp ngay[5]. Tôn Thất Thuyết chỉ huy đội quân thứ ba, đóng ở Hậu Bộ phía sau Đại nội vừa làm nhiệm vụ trợ chiến vừa làm dự bị.

Đêm 4, sáng ngày 5 tháng 7 năm 1885, trong khi người Pháp khao thưởng quân đội thì vào một giờ sáng Thuyết và Soạn cho bắn một phát đại bác làm hiệu lệnh để nhất tề tấn công vào Trấn Bình Đài, trong khi đó, bên kia sông, Tôn Thất Lệ chỉ huy quân cũng đồng loạt tấn công vào Tòa Khâm Sứ và Sứ quán Pháp. Tiếng đại bác vang động khắp kinh thành.

Kinh thành Huế

Quân Pháp bị bất ngờ nhưng vẫn giữ thế thủ để chờ buổi sáng. Họ ẩn núp trong trại không chịu ra ngoài trong khi đại bác quân Nguyễn bắn sậpmái nhà và lầu tòa Khâm Sứ. Còn phía đồn Mang Cá thì thậm chí Trần Xuân Soạn đã dùng cả tù nhân được sung binh đi phóng hỏa trại quân Pháp. Quân Nam hò reo và liên tục bắn súng. Nhà cửa trong Tòa khâm sứ cháy tứ tung, khói lửa bốc lên ngùn ngụt, thiêu cháy nhiều trại lính, chuồng ngựa. Quân Nam quyết tràn vào chiếm Tòa, một toán quân Pháp do trung úy Boucher nổ súng chống cự, ngăn chặn quân Nam tràn vào. Lính Pháp đang ngủ, chợt thức dậy, kẻ bị bắn, kẻ bị chết cháy, số bị thương khá nhiều. Một số sóng sót chạy ra vơ lấy súng ống, mình trần như nhộng, nhiều người không kịp mặc áo. Họ được lệnh tập trung ở một địa điểm xa tầm đạn của quân Nam. Tòa Khâm sứ và đồn Mang Cá cách xa 2500m và ngăn cách bằng dòng Sông Hương, vì thế họ không thể cứu viện lẫn nhau.

Khi mặt trời hé mọc, quân Pháp phản công. Họ chở súng lên đài và nóc tàu bắn qua hạ được quân Nguyễn rất nhiều, Hoàng thành và cung điện nhiều nơi bị phá hủy. Pháo hạmJavelin cấp tập bắn dọn đường cho bộ binh Pháp phản công. Dưới sự chỉ huy của Pernot, quân Pháp chia quân làm 3 cánh để tiến vào kinh thành. Họ xung phong từng đợt một, chiếm lĩnh các vị trí cửa chắn then chốt, để tràn vào các cửa Đông Ba, Thượng Tứ, Chánh Đông, Chánh Tây, An Hòa… Một toán từ Cửa Trài phá cầu Thanh Long, vượt sông Ngự Hà tiến vào Lục Bộ, cố tấn công cửa Hiển Nhơn để mở đường vào Đại Nội. Toán quân thứ hai vượt Cầu Kho, tấn công quân Nam đang tử thủ ở vườn Thượng Uyển, đồng thời cũng để tiếp ứng cho toán quân đang tìm cách phá vỡ cửa Hiển Nhơn (cửa phía Đông vào Đại Nội).

Bị bất ngờ phản công, ban đầu quân Nam chống cự rất anh dũng, bắn thủng ruột thiếu úy Pellicot. Các vọng lâu được sử dụng làm pháo đài, trên thành, quân Nam bắn xuống xối xả. Quân Pháp đánh vào một pháo đài có chứa thuốc súng, nhưng pháo đài bốc cháy, một toán quân Phi và một chỉ huy bị nổ tung, chết cháy ngay tại trận.

Về bên phía Tòa Sứ, đoàn quân của Cheroutre cũng tiến sang... Họ cố tràn lên, nhưng bị quân Nam nổ súng chặn lại. Trung úy Lacroix bị thương; thiếu úy Heitschell khi sắp qua cầu thì một thùng thuốc súng phát nổ, bị chết cháy tại chỗ. Cuối cùng, quân Pháp cũng tiến được vào thành, cùng lúc đó, quân của Bornes và Sajot cũng vừa tiến vào

Trước sự phản công của quân Pháp, quân triều đình không giữ được thành, cả hai đạo quân của triều đình ở bên trong và bên ngoài chống không nổi, tan vỡ, tháo chạy về phía Lục Bộ và tràn ra cửa Đông Ba. Tại đây đã họ bị toán quân của Pháp từ phía Cửa Trài tiến lên bao vây. Cuộc giết chóc tàn bạo chưa từng có đã xảy ra: hơn 1.500 người dân và binh lính triều đình đã ngã xuống trong đêm hôm đó vì bị trúng đạn của Pháp, hay một số do chen lấn, giẫm đạp lên nhau khi cố vượt ra khỏi Kinh thành. Hầu như không có gia đình nào không có người bị tử nạn trong đêm binh biến này.

Quân Pháp tiến được vào thành, họ hạ cờ triều đình Huế xuống, treo cờ tam tài lên kỳ đài. Sau đó, họ tiếp tục tiến vào Đại Nội, rồi ra sức đốt phá, hãm hiếp, giết chóc, cướp bóc không từ một ai. Một toán quân Pháp đốt trụi trụ sở Bộ Lại, Bộ Binh và các kho thuốc súng. Quân Pháp chia nhau chiếm giữ các kho tàng, cung điện, thu được nhiều vàng bạc và số tiền hơn một triệu quan, là số tiền mà triều đình không kịp mang đi... Trưa hôm đó, họ chia nhau đi đốt hoặc vùi lấp những thi hài của quân và dân Nam chết trong trận đánh.

Nguyễn Văn Tường thấy thế nguy liền vào Nội yêu cầu nhà vua xuất cung. Hữu quân Hồ Văn Hiển phò giá, đưa Hoàng gia ra cửa tây nam. Từ Dũ thái hậu ủy Tường ở lại lo việc giảng hòa, Thuyết chạy kịp theo, còn chừng trăm người.