在此期间，唐景崧再次建议刘永福割据北圻称王，但遭到了刘永福的拒绝。刘永福认为山西难以防守，打算退守保胜。唐景崧于是指使黄守忠向刘永福争取死守山西，最终刘永福决定坚守山西。
光绪九年（1883年）九月，中法谈判因法国强迫中国承认《甲戌和约》而陷入僵局，清政府决定对法采取强硬政策。九月二十二日，清廷下旨拨给刘永福、唐景崧十万两饷银，公开支持他们的抗法事业。刘永福随即派遣人员回国招募了1000名新兵，而唐景崧也请来了滇军三营共1000人来守卫山西。
此时，法国派遣孤拔率领6000人的海陆大军及各种先进武器北上，直扑山西。尽管刘永福和唐景崧联合了滇军、桂军和黑旗军共计6000人，但由于其中有1000名新兵，且装备相对落后，大部分使用旧式的前膛枪、抬枪等，大炮也是笨重的铁炮，远不如法军精良。
十一月十四日，中法战争的第一场大战——山西之战爆发。刘永福率领的军队经过三天的激烈战斗，虽然暂时抵挡住了法军的攻势，但他意识到凭现有的兵力和军火难以坚守山西，于是留下部分黑旗军继续守卫，自己则率主力撤退。十一月二十日，黑旗军与清军退至兴化。不久之后，岑毓英率领20营滇军前来支援，使刚刚遭受挫败的黑旗军与清军稳住了阵脚。
光绪十年（1884年）正月，刘永福向法军新任司令米乐下战书，米乐表面上同意二月初二日开战，但实际上却转移目标进攻桂军驻守的北宁。桂军向滇军求救，岑毓英派唐景崧和刘永福带领12营共4000人从兴化驰援北宁，并于二月初五日驻扎在北宁省城外七里的安丰县。二月初八日，广西巡抚徐延旭指示刘永福进攻嘉林的法军，刘永福与唐景崧入北宁与两位桂军将领赵沃、黄桂兰商议作战计划，但四人意见不合，未能达成一致。由于安丰县缺乏粮食供应，刘永福将黑旗军转移至北宁城外。
二月十五日，北宁之战爆发，两万桂军一触即溃，黑旗军也因兵力不足而败退。刘永福先是随桂军退守太原，但二月二十五日法军不战而取太原，桂军退至谅山一带，刘永福则逃回兴化，手下兵力只剩下3700余人。三月中旬，刘永福随滇军撤出兴化，并率吴凤典等部驻守文盘州、大滩，分黄守忠所部驻守宣光。五月，宣光也被法军占领。
在这一时期，清廷内部存在分歧，以李鸿章为首的主和派主张放弃甚至除掉刘永福和黑旗军，而主战派如张之洞、张佩纶等则力主援助刘永福抗法。最终，清廷中枢采纳了主战派的意见，并在观音桥事件和马尾海战后继续与法军作战。光绪十年（1884年）七月初六日，清廷正式对法宣战，授予刘永福记名提督之官衔，并赏戴花翎，命其驱逐法军，恢复越南。九月，清廷加恩赏银五万余两，并对黑旗军将领予以封赏。
在此之前，八月中旬，刘永福的黑旗军与滇军共6000人已经包围了宣光，并不断与法国援军交战。十月，唐景崧奉两广总督张之洞之命，率麾下景军四营前来援助攻城；十一月，丁槐率3000滇军增援宣光，并决定由刘永福率黑旗军在左育打援，唐景崧和丁槐负责攻打宣光城。清军六次攻打宣光均未成功，而法军在击溃东线潘鼎新所率桂军、夺取谅山后，派3000至4000人向西增援宣光。
光绪十一年（1885年）正月十六、十七日，黑旗军与法军在左育激战，黑旗军溃败，法军也付出了伤亡400多人的代价，这是黑旗军与法军作战中杀伤最多的一次。刘永福与黄守忠之间早有矛盾，左育之战后，刘永福认为黄守忠应对兵败负责，黄守忠则率800人投奔唐景崧，另有两千多名败兵逃归清军其他部队，而刘永福手下残兵不过500人，黑旗军由此分裂。
六、归国任职
光绪十一年（1885年）春，刘永福在准备与法国再战的同时，派遣部将吴凤典、李唐、魏名高、胡昆山等人前往两广地区招兵买马，计划在五月内新增5000兵力。然而，就在这个时候，冯子材在镇南关取得了大捷，收复了谅山。清廷在听取了李鸿章的意见后，决定与法国议和，并放弃了对越南的宗主权。这意味着刘永福必须离开越南。
四月初一日，张之洞电告唐景崧，让吴凤典和李唐暂停募兵。在法国的施压和清廷的催促下，刘永福不得不处理完保胜据点的善后事宜，并于五月十三日率领黑旗军及家眷进入云南文山之南溪。五月十五日，清廷授予刘永福“依博德恩巴图鲁”的名号，并封赠三代，其子刘成良也获得知州的职位。
刘永福临行前心情沉重，他对前来送别的越南民众说：“这是祖国大皇帝九次上谕催促的结果，我不能违命……你们等着，我入关三年，到天朝看看情况如何。”他还派人告诉来华求助的越南兴化巡抚阮光碧：“洋贼未平，我不会长久离开。”然而，刘永福再也没有回到越南。
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