“sơn lam chướng khí”, tức nơi rừng núi âm u, có nhiều khí độc nên năm 1878, ông xin
triều đình cho về dưỡng bệnh tại Thanh Hóa. Trong thời gian này, ông liên lạc với các sĩ
phu văn thân yêu nước trong tỉnh và bàn định kế hoạch xây dựng cơ sở kháng chiến. Năm
1879, ông tìm gặp Tống Duy Tân và đặc cách bổ dụng làm Đốc học, rồi Chánh sứ Sơn
phòng ở Quảng Hóa (Vĩnh Lộc), để lo việc tuyển quân, tích trữ lương thực, sẵn sàng
chuẩn bị bước vào cuộc kháng chiến chống Pháp mà ông dự đoán sẽ bùng nổ.
Đến tháng 8 năm 1881, do tình hình mới, vua Tự Đức buộc phải gọi ông ra nhận
chức Thượng thư Bộ Binh, phụ trách toàn bộ việc quân của triều đình. Năm 1883, ông
được cử vào Viện Cơ mật. Khi vua Tự Đức băng hà (17/7/1883), ông lại được trao quyền
phụ chính cùng với Trần Tiễn Thành và Nguyễn Văn Tường cáng đáng việc nước khi vua
còn nhỏ tuổi. Do nắm cả quyền chính trị và quân sự trong tay, ông đã đóng vai trò đặc
biệt quan trọng trong các hoạt động và đối sách của triều đình Huế lúc đó.
Trên đà thắng thế, thực dân Pháp ngày càng lấn tới, bắt ép triều đình ký điều ước
Quý Mùi (25/8/1883), rồi điều ước Giáp Thân (6/6/1884), từng bước xác lập và củng cố
nền bảo hộ của chúng trên toàn bộ đất nước ta. Trong khi đó, phái kháng chiến do Tôn
Thất Thuyết lãnh đạo vẫn bí mật chuẩn bị lực lượng, như: “mở đường đạo”; gấp rút xây
dựng hệ thống đồn sơn phòng dọc theo dãy Trường Sơn; chuyển súng đạn, đại bác, kho
tàng, lương thực ra căn cứ ở Tân Sở (Quảng Trị); ráo riết tổ chức và đẩy mạnh luyện tập
cho quân sĩ,… để chờ đến ngày sống mái với quân thù.
Càng ngày, thực dân Pháp càng thấy rõ Tôn Thất Thuyết là trở ngại lớn nhất cho
việc thực hiện âm mưu thôn tính Việt Nam của chúng. Cho nên, chúng tìm mọi cách gạt
bỏ ông ra khỏi triều đình và nếu cần thiết chúng có thể thủ tiêu ông; bóp chết lực lượng
chống Pháp còn sót lại trong triều đình Huế.
Trước tình hình cấp bách ấy, buộc Tôn Thất Thuyết và các đồng chí của ông phải
hành động trước, không thể bị động ngồi chờ kẻ thù tiêu diệt. Theo kế hoạch đã định, đêm
ngày 4/7/1885, lợi dụng lúc thực dân Pháp chủ quan sơ hở, đang say sưa yến tiệc trong
Tòa Khâm sứ bên bờ sông Hương. Cánh quân do Tôn Thất Lệ (em trai của Tôn Thất
Thuyết) chỉ huy tấn công vào Tòa Khâm sứ Pháp. Cánh quân thứ hai do Trần Xuân Soạn
chỉ huy tấn công vào đồn Mang Cá, nơi tập trung phần lớn binh lực của quân đội Pháp.
Cuộc chiến diễn ra vô cùng ác liệt. Nhưng do việc chuẩn bị chưa thật chu đáo, so sánh lực
lượng lại chênh lệch có phần lợi cho Pháp nên cuộc tấn công do Tôn Thất Thuyết chỉ huy
đã thất bại nhanh chóng. Sau đó, Tôn Thất Thuyết đưa vua Hàm Nghi ra Sơn phòng Tân
Sở (Quảng Trị), rồi theo đường rừng Trường Sơn chạy ra Sơn phòng Phú Gia (Hà Tĩnh)
và ban chiếu cần vương, huy động lực lượng, kêu gọi nhân dân đứng lên chống kẻ thù
xâm lược.
Ở triều đình Huế, Pháp nhanh chóng lập Nguyễn Khánh lên làm vua bù nhìn, ra
lệnh tước hết quan tước và tịch thu gia sản của Tôn Thất Thuyết. Đồng thời, ban lệnh săn
lùng, khủng bố những người yêu nước; tìm và giết chết Tôn Thất Thuyết, Trần Xuân
Soạn, vua Hàm Nghi,…
Tháng 8 năm 1886, trước những khó khăn ngày càng lớn, Tôn Thất Thuyết giao
cho hai con trai và các thủ lĩnh khác ở lại bảo vệ vua Hàm Nghi. Còn ông theo đường
rừng sang Trung Quốc cầu viện. Việc cầu viện không thành, ông bị nhà Thanh trở mặt
