Năm 1883, sau khi vua Tự Đức mất, ông làm Phụ chính Đại thần. Rồi liên tiếp giữ chức Phụ chính cho cả ba vua Dục Đức, Hiệp Hoà, Kiến Phúc. Ông là người đứng đầu phe chủ chiến đánh Pháp, quyết định đưa Ưng Lịch lên ngôi vua lấy hiệu Hàm Nghi. Từ đấy ông càng ráo riết chuẩn bị chống Pháp. Đêm 4/7/1885 (tức 22/5 ất Dậu) ông truyền lệnh tấn công doanh trại Pháp. Cuộc tập kích bất thành, kinh đô thất thủ, phe chủ chiến phò vua Hàm Nghi ra Tân Sở. Ngày 13/7/1885, Tôn Thất Thuyết thay mặt vua Hàm Nghi ban chiếu Cần Vương, dấy lên phong trào kháng chiến chống Pháp rộng khắp trên toàn quốc.

 

Biến cố lịch sử này và phong trào Cần Vương, vai trò cá nhân của Tôn Thất Thuyết rất lớn. Để kinh đô thất thủ và sau này phong trào Cần Vương bị dập tắt, lịch sử đã và đang tiếp tục phán xét Tôn Thất Thuyết. Nhưng từ các sự kiện này lịch sử cũng đã vinh danh Tôn Thất Thuyết, một người tiêu biểu nhất cho chủ nghĩa yêu nước và anh hùng thời bấy giờ.