援越清军畏法如虎，苟且偷安相继退出北宁、山西、宣光等重镇，龟缩广西边境。1884年，法国派海军舰队突然袭击我国福建马尾军港和船厂，清朝政府被迫下令正式对法宣战。同年8月清政府封刘永福为记名提督并赏戴花翎。中法战争进入紧张阶段。刘永福先后派人回博白招募壮丁数百人扩充黑旗军。1885年1月黑旗军与援越清军包围了宣光法军。刘永福在离宣光十余里的左育驻扎重兵，并用竹排、木筏拦河拒守。断绝法军运送粮械接济。宣光守敌被围月余，成为瓮中之鳖，危在旦夕，遂向河内法国全权大臣寄信救援，说：“宣光被围，弹药将尽，速派兵援。”刘永福断定河内法军总部得悉，必派援兵，且取道左育，便选择在左育附近野茅丛生的大荒坡，埋下大批炸药，铺上草皮伪装坟墓，准备一举歼灭敌人。一天，法军援兵从太原向宣光张牙舞爪地冲来，待敌人进入伏击地段时，黑旗军拉发火引，一阵震天巨响，山崩地裂，硝烟冲天，法军被炸死炸伤四五百人，其中军官20多人，伪军死伤不计其数。法军吃了苦头，咬牙切齿施以报复，利用密集炮火轮番射击，组织兵力猛烈冲锋；宣光城内法军乘机反扑，黑旗军力不能支，宣光之围被解，黑旗军退守临洮。
1885年3月23日，法军进犯临洮。刘永福联络奉命抗法的滇军和越南义勇队，共同阻击来犯之敌。鏖战一日两夜，敌军精疲力竭，死伤惨重，只得黑夜潜逃。刘永福挥师乘胜进击，连克临洮府和广威府等十余个州县有力地策应了东路抗法清军，转败为胜。冯子材在镇南关大败法军，还光复谅山、高平等重镇，扭转了战局，打击了法国侵略者的嚣张气焰。但由于越南王朝和清朝政府腐败昏庸，同年4月19日宣布停战，前方将士忍气罢兵。
刘永福在援越抗法战争中英勇不屈，身经百战，取得了辉煌战果，使法国侵略者和中国投降派极端仇视和不安，一心要把他剪除。清朝政府为了逼刘永福率部回国，一个月内就连下九次上谕，采取胁迫利诱，恩威兼施的手法，赐予刘永福“依博德恩巴图鲁”和“三代一品封典”的荣誉。越南人民得知刘永福要离越归国，远道赶来挽留。后来，黑旗军有部分人员不愿回国，留下来参加当地抗法义勇队；有部分人散落各地成为华侨或越籍华人。1885年8月刘永福带领黑旗军3000人从保胜启程入云南省文山县南溪，于同年11月抵南宁。清朝政府又以种种借口裁减了1500人。同年12月刘永福奉令带领黑旗军1500人顺水东下，直抵广州，扎驻于燕圹，又被张之洞裁减去1000人。最后黑旗军旧部在刘永福身边只剩三四百人。1886年春清朝政府委任刘永福为闽粤南澳镇总兵。
1894年7月，甲午中日战争爆发，台湾地位十分重要。清政府命刘永福赴台湾帮巡抚邵友濂办理防务。八月，刘永福率黑旗军赴台北，后又奉命驻守台南，并先后在潮汕、台湾等地招募新兵，将黑旗军扩充至八营，决心为保卫台湾血战到底。
1895年4月，请政府战败求和，与日本签订了《马关条约》，把台湾、澎湖列岛割给日本。为了逼使台湾人民投降，日本派北白川能久亲王率领日军主力近卫师团，于5月27日从冲绳出发，分兵两路进攻台湾。其中一路日军从貂角强行登陆，攻占基隆。接着，又进犯台北，这时，曾发誓死守台湾的巡抚唐景崧等人畏日如虎纷纷逃回大陆。6月7日台北陷敌，林朝栋亦相继逃命内渡。台中空虚，台南形势紧迫。刘永福在台南草拟《盟约书》，发出联合抗日的号召，表示为保卫国土“万死不辞”，“纵使片土之剩，一线之延，亦应全保，不命倭得”。6月28日，台南地方绅民推举刘永福为台湾民主国总统，领导抗日斗争。刘永福坚辞不受，仍以帮办之职，统率防军与台湾义军抗敌保台。
日军攻占台北之后，随即南侵新竹。新竹内负崇山，外濒大海，为台中门户和战略要地。刘永福令副将杨紫云统率新楚军会同台湾生员吴汤兴、姜绍祖、徐骧等领导的义军据险而战，大量杀伤敌人。6月下旬，由于义军军械不继，粮食断绝，新竹陷入敌手。
1895年8月中旬，战争转入台中。为了保卫彰化，黑旗军和台湾义军在大甲溪一带同敌人展开激战。黑军在大甲溪南岸设伏狙击，静待日军靠岸，突然四出截堵、日军仓惶北渡，刚回渡至河中间，徐骧指挥义军猛烈冲杀，日军船只被打沉冲翻，纷纷落水淹死，岸上的日军四散逃遁。这一仗，抗日义军取得全胜，缴获敌军枪械甚多。后来，日军不甘心失败收买奸细带路，偷袭黑旗军后路，大甲溪遂为日军所占据。
大甲溪失守后，日军步步进逼，又靠优势兵力攻占台中等地。刘永福的部将吴彭年率军退守彰化。8月28日，日军以优势兵力进攻彰化城北的八卦山。吴彭年带领士兵与敌人展开了肉搏战，击毙日本号称最精锐的近卫师团1000余人，打死少将山根信成。在这场悲壮的血战中，义军首领吴汤兴中炮牺牲，吴彭年英勇战死，刘永福黑旗军的精锐七星队300余人也壮烈殉难，彰化失守。云林、苗栗亦相继沦陷，义军首领徐骧带领余部数十人杀出重围，退往台南。
