Nghĩa quân Ba Đình có khoảng 300 người, bao gồm cả người Kinh, người Thái, người Mường. Họ tự trang bị các loại vũ khí thông thường như: súng hỏa mai, gươm, giáo, cung, nỏ. Đông đảo nhân dân địa phương tham gia vào các đội vận chuyển lương thực, nuôi quân, tải thương…Hoạt động chủ yếu của nghĩa quân là chặn đánh các đoàn xe tải của địch và tập kích các toán lính trên đường hành quân.
Để đối phó lại, tháng 12-1886, thực dân Pháp tập trung 500 quân, mở cuộc tấn công vào căn cứ Ba Đình, nhưng thất bại.
Ngày 6-1-1887, Pháp lại huy động khoảng 2 500 quân, dưới sự chỉ huy của Đại ta Brít-xô, có pháo binh yểm trợ, bao vây căn cứ, rồi lấn dần từng bước.
Cuộc chiến đấu diễn ra ác liệt. Cả hai đều bị thương vong rất nhiều. Quân Pháp dùng vòi rồng phun dầu đốt cháy các lũy tre, cùng lúc tập trung đại bác bắn dồn dập vào căn cứ. Trước sức mạnh áp đảo của giặc, lực lượng nghĩa quân bị tiêu hao rất nhiều.Đêm 20-1-1887, họ phải mở đường rút lên Mã Cao. Sáng 21-1, chiếm được căn cứ, thực dân Pháp điên cuồng đốt phá và sau đó ra lệnh xóa tên ba làng Thượng Thọ, Mậu Thịnh, Mĩ Khê trên bản đồ hành chính.
Nghĩa quân rút về Ma Cao, cầm cự được một thời gain, rồi bị đẩy lên miền Tây Thanh Hóa và sát nhập với đội nghĩa quân của Cầm Bá Thước.
Trong cuộc chiến đấu này, nhiều thủ lĩnh  nghĩa quân đã hi sinh như Nguyễn Khế, Hoàng Bật Đạt; người phải chạy sang Trung Quốc như Trần Xuân Soạn; người phải tự sát như Phạm Bành, Hà Văn Mao, Đinh Công Tráng thoát khỏi tay giặc và tiếp tục gây dựng lại phong trào. Nhưng đến mùa hè năm 1887, ông cũng bị giặc Pháp bắt và giết hại. Đến đây, khởi nghĩa Ba Đình hoàn toàn tan rã.