七月初二日(8月22日)下午5时，法国舰队司令孤拔收到攻击马尾的电令，即让法国驻福州副领事从舰上赶回福州通知各国驻福州领事及闽浙总督，另派人通知马尾罗星塔下游的英、美军舰和各国商船。又于当晚召集各舰舰长发布作战命令和进行具体作战部署，决定第二天下午2时左右(预估时间)退潮时开始攻击福建水师。
七月初三日(8月23日)上午9时至下午1时30分的涨潮期间，法国舰队各舰处于不利阵位，孤拔提心吊胆坐镇指挥台，惟恐福建水师抢先动手。而尽管早有谕旨“统筹全局、设法出奇”的重托和六月二十四(8月14日)以后清廷屡颁“倘法国竟将照会置之不复，亦不退出兵船，惟有即与决战”及“日前法人如有蠢动，即行攻击，毋稍顾忌”等电旨，在福州和马尾的军政大臣依旧畏敌避战，连一贯积极主张先发制敌的张佩纶也一反常态，至临战前仍坐等观望，等待清廷直接下旨开战。闽浙总督府于开战当天中午(约11时至下午1时)接福州法国领事馆送达的开战照会时，竞错看为第三天开战，待搞清是当天开战时，才惊慌失措，电告马尾，时间已临近下午2时，来不及向福建水师下达作战命令。此时，法国舰队已做好攻击福建水师的战斗准备。
下午1时30分，马尾港开始退潮，在调转舰身时，法国舰队各舰暗中慢慢起锚。近在咫尺的福建水师各舰看见法舰的备战活动，也暗中准备，松开锚链以便尽快启航，清军的一些小炮船及武装民船也慢慢向法舰靠近。法国舰队司令见中国军民的备战情况也胆战心惊，不到照会规定的开战时刻，即于1时45分提前升起攻击信号旗。1时56分，法国旗舰“伏尔达”首先开炮攻击福建水师旗舰“扬武”号和靠近它的清军各种小艇，其他法舰也向福建水师各舰展开炮火攻击。在法舰炮火掩护下，45号和46号鱼雷艇冲向上游，分别向“扬武”号和“福星”号发射鱼雷。“扬武”号虽早有戒备，因上级保持沉默，以致备而未战。退潮刚调转舰身时，即遭敌舰、敌艇攻击，舰身中炮、中雷，受到重创。
“扬武”号管驾张成和全舰官兵沉着应战，一面用尾炮反击敌舰，一面艰难调转舰身以主炮和舷炮作战，在险恶条件下将敌46号鱼雷艇击伤，敌艇长重伤，数人毙命，“伏尔达”号也中数炮，毙敌多名。“扬武”号重伤搁浅，大部分官兵牺牲，张成等少数官兵舰沉后落水，被岸上军民救起。福建水师旗舰“扬武”号的搁浅沉没，使各舰群龙无首，失去指挥联系中心，陷于各自为战的困境。法国舰队一梯队各舰在旗舰发出攻击信号后，迅速向上游的福建水师攻击，遭到炮火攻击的福建水师各舰和武装民船多数不及起锚调转船身，以尾炮与敌舰的前主炮对抗，陆续中弹沉没，只有“伏波”号和“艺新”号受伤后驶往上游林浦搁浅。福建水师各舰官兵在遭敌突然袭击受到严重伤亡情况下，不畏强敌，冒着硝烟弹雨，拼死与敌舰战斗。靠近旗舰“扬武”号的“福星”号，战斗一开始，就遭敌舰“伏尔达”的炮火轰击和45号鱼雷艇的鱼雷攻击，中弹起火，管驾陈英仍然驾舰来回冲撞敌舰，不时发炮攻击，威震群敌。“福胜”号和“建胜”在督带吕翰、管驾叶琛、林森林指挥下，在各舰中最早调转船身向“伏尔达”号和“益士弼”号开炮还击，屡中敌舰，自身也在敌数舰交叉炮火下中弹进水，官兵不顾安危，战斗不息，直至舰身下沉，还在发炮还击。
“永保”号和“琛航”号是无火炮的运输舰，海战开始后，遭敌“蝮蛇”号和“豺狼”号炮击而起火，舰上官兵不顾生死，驾舰冲向敌舰，以求同归于尽，途中连中敌弹而沉没。
停泊在马尾江面南侧的福建水师“飞云”号、“振威”号和“济安”号，在海战时，很快就被敌舰第二梯队4艘巡洋舰的强大炮火齐射所吞没，“振威”号靠近敌舰，首当其冲，舰身多处中弹倾斜，管驾许寿山指挥若定，一面下令开炮还击，一面开足马力驾舰冲向敌舰，作最后拼搏，前进中又连中敌弹，引起弹药库爆炸，在沉没前仍向敌舰发射最后一发复仇的炮弹，全舰官兵光荣殉国。
“飞云”号督带高腾云在舰上中弹起火时，驾舰全速冲向敌舰，开炮还击，掩护“振威”号，半途中弹沉没。泊于港内的清军数十艘武装帆船、火攻船、杆雷船也各自为战，用不同方式、从不同方位，英勇地与敌舰搏斗，终因攻击力量有限，难以重创敌舰，被敌舰的机关炮火所击沉。
马尾岸上各炮台官兵在海战时，也英勇发炮助战，重点攻击敌旗舰“伏尔达”号和其他巡洋舰，多发炮弹命中敌舰，敌司令孤拔的副官被岸炮击中毙命。因部署不当，缺乏统一指挥，老式火炮性能差，又不能和福建水师各舰密切配合，收效不大，各炮台先后被敌舰炮火摧毁。约经30分钟战斗，福建水师舰船9沉2伤，各种武装小船多数被击沉。
第二天，法国舰队开始重点攻击船厂、岸上防御工事和江面未沉的中国船只。“伏尔达”号等法舰先炮击船厂，毁坏铁船槽，厂内设备遭到一些破坏，但未达彻底毁坏的目的。敌重巡洋舰吃水深，不敢贸然驶向上游炮击船厂，从下游开炮又被马限山所阻。马尾岸上军民严阵以待，迫使敌舰不敢派兵登陆。七月初五日(8月25日)敌人见罗星塔孤悬闽江边，先用舰炮封锁后面可能增援的地段及炮台四周，然后派陆战队登上罗星岛，将3门大炮搬走，再炸毁炮台建筑。当天下午，法舰集中炮击闽安(即亭江)炮台，又派陆战队登岸，运走火炮，将炮台彻底平毁。初六、初七日(26～27日)，法国舰队驶向闽江口，沿途对两岸炮台进行轰击或派陆战队登岸爆破。各处炮台设计是火炮射界向闽江口，无法攻击从上游驶来的敌舰，数十年苦心经营的防御设施多毁于一旦。只有长门炮台占据有利地形，加上有数营陆军防守，敌舰无法攻击又不敢派陆战队登陆，得以幸存。
七月初九日(8月29日)，法舰“拉加得桑尼亚”号从基隆赶来闽江口，闯入长门水道逞凶，被长门炮台连连击中，前弦装甲被击穿，主炮底座受创失灵，在死伤近10人后慌忙逃窜。 马江战役中，福建水师官兵牺牲796人，连同岸上军民伤亡人数，死难者总数逾千人。法国舰队重伤巡洋舰2艘，鱼雷艇1艘，轻伤舰艇3艘，伤亡数十人。
