1884年 8月5日、6日，法舰侵犯台湾基隆。在法舰的猛烈炮轰下，基隆炮台和火药库全部被击毁，清军守卫战士伤亡十分严重。在前沿阵地上督战的刘铭传意识到此时此刻基隆炮台已无法防守，就下令守军暂时撤退到山后，以避敌炮。法军将领利比士见清军撤退，就下令达拉克上尉和马丁中校率陆战队四五百人，在炮舰掩护下由基隆东部登陆，占领了东侧高地。午后，法军命令水雷部队破坏占领区的所有清军炮台。利比士见战事顺利，得意洋洋，连忙向孤拔和法国政府发出出师大捷的喜讯。
军事形势的发展显然对刘铭传不利，但他并未惊慌，而是思虑如何出奇制胜，挫败法国侵略者的凶锋。刘铭传首先想到的是切断法寇的能源供给。还在刘铭传下令清军撤退到后山的时候，他就下令杨洪彪将基隆八个煤矿机器拆除下来移到后山，用水浸没煤井，并将厂房及1. 5万余吨的储煤焚毁，使法军不能够在基隆煤矿补充能源，从而削弱法方的战斗力量。同时，刘铭传为了使我军出奇制胜，在敌强我弱的不利情况下，他采取“激将法”，调动战士们的作战积极性，然后以“诱敌深入，两路夹攻”的战术在基隆城的后山上击败法军，迫使他们狼狈撤退。
1884年10月，法国偷袭福州马尾军港得逞后，又转回台湾，同时猛攻基隆和沪尾两地。侵略军兵分两路，同时进攻，是欲占两地还是另有所图？刘铭传经过缜密分析得出：法军是徉攻基隆，实攻沪尾。因为基隆自从遭到法军第一次攻击后，为绝敌军图谋，刘铭传不仅将基隆煤矿的采煤机器设备和所存储煤炭或藏匿，或焚毁，而且还凭险扼守，处处设防；并在城内疏散精壮，基隆几乎是空城一座。但是沪尾离台湾政治、经济、军事中心台北府近，而且地势平坦，水路可达。可见沪尾这一地理位置对保卫全台的重要性。
就在敌我双方相持之际，刘铭传连续接到从沪尾方面发来的三次告急书。告急书称：法舰5艘直犯沪尾口门，敌炮如雨，新筑炮台全被击毁。守将孙开华、刘朝祜等督令张邦才发炮还击，虽击中法方德斯丹号巡洋舰，但清军阵亡10余人，张邦才也身负重伤，情况极为危险。
刘铭传接到告急书后，心情较为沉重。法军两边同时进攻，使他左右难顾。他思前想后，苦苦思虑，最后权衡利弊，决心冒斧钺之诛的危险，实施他最后的“撤基援沪”的战略政策。即放弃基隆，援助沪尾，固守台北府城，确保全台大局。刘铭传的这种战略转移的思想，来源于对敌我双方客观形势的正确估量。一是他对法军战略特点的分析。在他看来，法军远隔重洋，战线拉得太长，战争物资供应不足，法军在台湾生活难以适应，如水土不服、地理交通不熟、语言不通等。因此，刘铭传得出结论：法军的战争策略是迅速占领沪尾，速战速决。所以针对法军的战略特点，只要我军集中人力物力，齐心协力，坚持下去，断绝法军的粮食供给，煤炭能源供应，使其既无煤炭，又无粮饷，这样法军不攻自破的滚开是迟早的事。法军船坚炮利，武器装备先进，火炮攻击占绝对优势，我军只有跳出近海作战，暂时抛开沿海一州一邑无关紧要的地区，避开船炮，引诱敌人进入陆地作战，深挖壕沟，隔山坚守，以劳敌师。隔山使得大炮难以移动，使火炮失去效能，登岸则坚船无用武之地。只有这样，才能充分发挥我军擅长短兵促击，熟悉地势、士民兵商勇跃参战等有利条件。二是他对基隆、沪尾、台北府城地势的分析。基隆凭临海滨，前无任何障碍，便利敌炮优势的发挥。但城后重山叠峰，有险峻的狮球岭诸峰，可以扎兵扼守。基隆距离台北府城较远，而沪尾台脆兵单距离台北府城只有30里，沿途毫无屏障，军械粮饷又全在台北府城。因此，沪尾失，台北危；台北失，全台即不保。根据上述分析，刘铭传当机立断，迅速作出决定：撤出基隆，驰援沪尾。面对刘铭传这一重大的战略转移的决定，有些将士不理解，他的老部下章高允首先跪下哭谏，要求坚守基隆，一时军心紊乱，为了顾全大局，刘铭传断然颁布军令：不舍基隆，台北难保，违者斩。
果然，孤拔率部轻取基隆后，立即挥师猛扑沪尾，刘铭传率军迎战，他先用老弱残卒于海滨与法军交战，用计迷惑敌人。法军以为刘铭传已兵穷粮尽，见清军逃跑，即挥兵穷追不舍。追至数里，忽见道旁伏兵四起。埋伏在四处的清军从各自的壕沟里冲杀出来。法军凭借精良的刀枪抵挡，一度使冲杀出来的清军受阻。
正当清军进攻受阻，伤亡严重之时，一群披头散发、赤身裸体的“天神”兵突然从草丛中射出密集枪弹。法军面对这群人鬼难辨的“天神”兵，吓得鬼哭狼嚎，四处逃散，溃败之势不可收拾。原来这群“天神”兵正是前面提到过的犁园戏子张阿火组织的一支500精英队伍。在沪尾战斗中这支“天神”兵掩藏在山坡草丛中，个个赤身裸体，披头散发，嚼槟榔，吐红沫，一等敌军来临，他们就以右脚作支撑枪架，翘起左脚，以脚趾扣动板机，250支枪齐发，弹无虚发，法寇死亡惨重，惊慌而逃，法军以为真的遇到了天神。这支民间“天神”兵为配合清军正规军作战，发挥了很大作用。
这次战斗自上午9时杀到下午1时，清军阵亡哨兵3名，死伤兵勇100余人。法军被斩首25名，被击毙士兵300余人，俘虏14人，七八十人因溃逃抢上舢舨而溺水死亡。法舰为掩护败兵溃退，盲目开炮，击沉自己小轮船一艘，并遗下格林炮1门，清军大获全胜。
沪尾大捷不仅使台湾军民膺服刘铭传“撤基援沪”的战略，而且使法国侵略者的嚣张气焰受到沉重打击。参与此次战斗的法军哀叹道：这次失败，使全舰队的官兵为之丧气。因为事前大家都欢喜地认为这次行动不过是一种军事的散步游戏，一枪也不用放的。由此可以看出：当时法军以为我基隆、沪尾两地兵力不足，机械不精，法军可以轻而易举地夺取并占领它。但是，就在这种敌强我弱，双方力量对比悬殊的情况下，刘铭传以“智”取胜，扬长避短，用我军的优势攻击敌方的弱点，使法军大量精锐船炮无用武之地，终于取得了沪尾战斗的胜利。沪尾战斗的大胜，打破了外国侵略者不可战胜的神话，大长了中国人民的志气。刘铭传这位智勇双全的英雄，在中法战争中，以自己的才智和胆量，顾全大局，英勇奋战，保卫了祖国的神圣领土——台湾，为祖国的领土完整作出了巨大的贡献。
沪尾战役之后，法军昔日狂妄不可一世的骄气被普遍的沮丧取而代之。法国远东军舰队经基隆、沪尾战役失败后，深知刘铭传驻守台湾岛是一块吞不下去的硬骨头，难以攻取，又深恐清廷增援台湾，对己更为不利，即在1884年10月20日由孤拔发表封锁台湾所有海口的宣言。法国这种海盗般的行径，虽然使台湾蒙受严重的影响，造成文报不通，接济阻绝，互市停息，物价飞涨，但它只能说明法国军队的虚弱，因为自此以后，法军再也不敢登陆作战。
法军在沪尾的惨败，激起了茹费理内阁的恐慌。为了抵消这次失败在法国的丑誉，法国政府下令窃据基隆一角的法军攻打狮球岭等山地，以便将守军逐出基隆河上游北部的三角形地带。为此，孤拔又从越南搬来大批援军。自1884年11月7日开始，双方开始了争山逐岭的拉踞战。
在基隆拉踞战期间，作为统帅的刘铭传，亲临前线作战，鼓舞士气，多次击退法军。
茹费理内阁原以为占领基隆城，即可压迫中国政府俯首投降，缔结城下之盟。后见事与愿违，他们又企图夺取基隆城后的山地进而占领台北城府，不料却劳师伤兵，犹如陷入泥潭，不能自拔。狂妄一世的孤拔司令意识到，攻占一座基隆空城，并没有多大的政治和军事意义，远东舰队的能源补给在这里毫无保证。他还意识到，经过沪尾大败，自己的部下士气低落，军心涣散，法国国内对他进行的这场旷日持久、劳而无功的侵台战争怨声载道，茹费理内阁甚至危胁他不再提供援助，远东舰队将成为一支名副其实的孤军。他更意识到，法军背上基隆海岸这个包袱已处于被动挨打的地位，他的对手刘铭传是一个高明的指挥家，他的军事才能是无法战胜的。法军的不断失败，迫法国政府终于考虑从台湾撤军问题。 1885年4月4日，《中法议和条约》签定，法军侵台战争以失败而告结束。8月4日，法军全部撤离台湾岛。
在中国人民的英勇抗击下，法军占领台湾的企图彻底破产，只在基隆留下一座巨大悲惨的坟场，内有500多名法国官兵，成为侵略者可耻下场的永久标志。而刘铭传，作为这场抗法保台战争的军事指挥者，以其非凡的指挥才能，在中国近代军事史册上，留下了伟大的英名。他的一些反侵略的战略战术思想也在近代军事史上写下了值得称赞的篇章。美国台湾史学家马士曾认为，中国抗法保台的胜利是在刘铭传能干的指挥下进行的，充分肯定了刘铭传的指挥才干。刘铭传在中法战争中以其出色的指挥才能，赢得了我军在中法战争中的胜利，谱写了一曲台湾军民共同抗击外国侵略者的凯歌。