从法军逼近浮沙要塞开始，就已摄入山西城了望塔上黑旗军的视线。此刻，这座高高的了望塔不再是单纯的侦察工事，而成了黑旗军直观掌握整个战场态势的绝佳司令指挥场所，刘永福与唐景嵩等正在高塔上观战指挥。从了望塔向下俯瞰，战场局势一目了然，布置在北门外以及浮沙要塞的黑旗军右营（营官韩再勋）、武烈营（营官胡昆山），以及4营七星营（营官刘荣瑂）和清军桂军李应章营已经与法军展开激战，在法军水陆火炮攻势下，露出几分颓势。猛然间，刘永福发现法军阵列存在一个巨大漏洞！
     山西城的东门外，驻守待命的黑旗军吴凤典左营、黄守忠右营、朱冰清武炜副营都是黑旗军中战斗力极强的老营，2次纸桥之战以及丹凤怀德之战，都有他们的身影。下午1时过后不久，城内高塔上传来命令，这3支黑旗军老营迅即从东门外出击，“一支坚强的队伍，据说是云南的军队，从东门走出来，隐藏着他们的旗帜，巧妙地利用当地的掩护物，不受对方注意向前推进。”刘永福选择了一招极具眼光的计略，3营黑旗军从东北绕道北门，沿河岸直插法军第二纵队右翼。如此，这支黑旗军后有浮沙工事火力掩护，而顺法军第二纵队右翼攻击，又使得哈乞开司炮火极为威猛的东京分队军舰有投鼠忌器的困扰。乘此情势下，猛冲法军第二纵队，将其压迫进红河大堤两股分堤交错间的一个三角形绝地加以歼灭。
     突然注意到这支半路杀出的黑旗军，判断出他们的作战意图后，孤拔惊出一身冷汗，他从来没有想到，在他们眼中视如土匪的黑旗军，竟然有此等的作战机略。与身边那些大喊完了，惊慌失色的法国官兵不同，孤拔瞬间表现出了自己身经百战的独特气质，镇定地左右调度，一面组织士兵排列成战列线，一面将行营炮调整到右翼方向，足足等了15分钟，等3营黑旗军冲近距离法军第二纵队侧翼仅仅300米的位置时，随着孤拔的命令，排枪、火炮一起鸣响，黑旗军顿时惊惶后退。而当这些黑旗军试图退回山西城，离开了法军第二纵队侧翼范围时，东京分队军舰上的哈乞开司机关炮立刻开始对准他们疯狂射击。3个营的黑旗军完全土崩瓦解。
     本来兵力就很有限的黑旗军又损失了3个营的老部队，仿佛这场战役的结局已经有了答案。战至下午4时左右，看到浮沙要塞的火力渐渐趋弱，经前敌指挥贝兰上校请示，孤拔下令东京分舰队停止射击，同意陆军出击争夺浮沙要塞。
    “Marche ou crève！”（不前进，勿宁死）
    浮沙要塞里坚守的黑旗军，突然听到一阵声势动天的咆哮，紧接着，一群陌生的形象出现在他们的眼前。
     指挥官儒诺（Jouneau）率领的阿尔及利亚营，冲在整个法军队伍的最前列。头戴小红帽，身着颇具民族特色制服的这支非洲部队，被黑旗军称为红衣大裤囊兵，是法国外籍军团中最为剽悍的军队。浮沙要塞的猛烈射击未能挡住法军的冲锋，阿尔及利亚部队为首，冲进了浮沙要塞，此后是一场近20分钟，被法军形容为“非洲狮对亚洲虎”的白刃相接，黑旗军虽然顽强抵御，但是面对经过近代正规军事训练的敌手，显得无济于事。下午5时许，浮沙要塞被攻陷。
     14日的晚上，法军阵地处处充满狂欢的气氛，司令官破例允许配发葡萄酒。直到凌晨，还有一些意犹未尽的法军在互相交谈，讲述自己在战斗中的故事。山西城内，大战受挫的刘永福怒火中烧，几乎失去了冷静判断，对诸将痛骂不已，先是把责任推为清军先退，后又责骂黄守忠等营官包抄不力。看到黑旗军已经乱作一团，唐景嵩单独召集城中的清军守将，开出20万两银，以及先登者保守备花翎的重赏，决定派清军独自夺回山西城的门户浮沙要塞。15日凌晨，李应章、贾文贵、张永清等率领1000多滇、桂军出城连续发动偷袭，枪炮、火箭、大刀，无所不用。驻守浮沙要塞的法军不愿意进行夜战，坚守不出，接连3次打退清军的进攻。至凌晨4时，天色破晓，已不具备偷袭的条件，清军遂放弃夺回浮沙的企图。这次夜袭，清军损失5、60人，虽然没能攻克要塞，却生俘了20名阿尔及利亚兵以及5名法国海军登陆队，也可谓是惊人的战果。天明之后，25名战俘按照当时中国军队的习惯做法，全部斩杀。
     15日天色破晓之后，山西城下进入了奇怪的停火状态，双方都在各自收拾战场。直到16日上午，刘永福仍试图采用14日迂回攻击法军第二纵队的方法，集中黑旗军剩余兵力冲出城外，向第二纵队右翼迂回进攻。已经熟悉了黑旗军这种打法的法军，海陆配合，阿尔及利亚兵与“雎鸠”号的哈乞开司机关炮轻松了打退了这支黑旗军。与此同时，法军全线开始向山西城前进，所有的行营炮连都重设阵地，与东京分队军舰一起向山西城猛烈炮击，“细弹雨落，遍撒内城”。
     当天下午5时许，夕阳西下，阿尔及利亚营已经挺进至距山西城外城门仅100米处。随着孤拔一声令下，冲锋号四处响起，以阿尔及利亚营为首，首先攻破了西门。出于报复心理，对城内所有的活人，非洲军团采取了格杀勿论的态度，一路屠杀进了山西城。在城内督战的唐景嵩原本计划依托内城继续抵御，但突然发现黑旗军已经弃城逃走，驻防山西城的越南官军已经竖起白旗，遂被迫率残余清军也匆匆逃亡。控制山西城外城后，孤拔见到天色已晚，觉得“在一片漆黑之中深入一个陌生城市紧追穷寇，未免失之轻率”，下令全军就地驻守，防止黑旗军乘夜色反扑，准备第二天再进攻山西的内城。