（中国军队在镇南关的布防图）
而当时在镇南关附近的法军第2旅总兵力大约有2500人，下辖两个团和一个独立营，总共7个营的兵力，还有一个炮兵小队。所以此时在镇南关，清军是拥有比较明显的兵力优势的。而冯子材也看准了这个时机，在3月22日主动出击，袭击了法军驻地文渊。但冯子材的意图将并不是要直接击溃法军，而是在进攻之后迅速撤退，以佯败引诱法军出击。
（描绘镇南关大捷的画作）
结果法军第2旅旅长尼格里一看冯子材的重兵竟然“速败”，果然按捺不住，决定在第二天反攻。3月23日，尼格里留下了一个连多一点的兵力驻守自己的大本营，自己率领其它军队直扑镇南关。23日清晨，最先抵达镇南关的法军有大约1600人左右，虽然后续仍有援军在不断抵达，但尼格里却认为不应再等，就趁前一天“击败”清军的余威，在清军士气低下时一鼓作气，赢得大胜。
（镇南关战役法军主将尼格里）
在第一天的战斗中，法军似乎打的也比较顺利，拿下了镇南关外围的几处清军阵地，并击退了清军将领王德榜在法军右翼发起的反击。3月24日，尼格里对当时在镇南关之外布防的冯子材部主阵地发动总攻。他的计划是要对冯子材部进行前后夹击，在正面由第111营牵制清军火力，同时派第2团和第143营包抄到清军背后，发动致命打击。但他没想到的是，24日早上是大雾天，由副旅长赫本哲率领的包抄部队竟然在半路迷路了。而尼格里又把当时出现在清军主力身后的一队清军误认为是他的包抄军队，之后立即命令111营在正面开始进攻。结果111营立即遭到冯子材部的猛烈还击，多名指挥官不到1分钟就被打死。中间虽然有两个连一度突进到清军的战壕附近，但已经67岁的冯子材此时亲自手持长矛率领两个儿子及其它清军与这些法军展开肉搏，迅速将其击退。
（67岁仍然亲自上阵与法军肉搏的冯子材）
而几个小时之后，被派去包抄清军的第2团和第143营才抵达预定为置，他们虽然占领了清军一处堡垒，但在下午3点遭到了清军潘鼎新部的猛烈反攻，其指挥体系迅速瘫痪，多名指挥官被击毙。而在此时，清军也从两翼对留在后方保护法军撤退路线的法军第3团发起了进攻。而此时的法军在各个战线全部陷入被动，尼格里在无奈之下在24日傍晚下令全线撤退。当时参战的一名法军中士莫里在事后回忆时曾这样说道：
那天夜里非常黑，士兵们撤退时没有一个人说话。我们感到非常羞耻和愤怒。我们被迫丢下了很多战友和胜利，逃了回来。时不时会有士兵低声说到有谁失踪了，之后大家就重新沉默下来，为这些损失感到悲哀和痛苦。
法军伤亡及战役影响
所以此战的结果是法军的作战意图完全失败，这一点没有任何疑问。不过关于法军的伤亡，清军方面和法军方面的说法却还是相差比较大的。清军战报里的说法都是“毙匪千余”、“斩首数百”。还有“斩真法人五百余”的说法。但法军的伤亡报告说是74人死亡，213人受伤，阵亡和受伤者中分别包括7名和6名军官。其中伤亡最惨重的是从正面对清军发动进攻的第111营，总共有31人阵亡，58人受伤。
所以关于法军的伤亡数字，双方的看法还是差别比较大的，而且恐怕完全信任哪一方都不太合适。因为清军的数字本来就比较模糊，而19世纪的欧洲军队，将阵亡士兵通过病死等其它方式归于非战斗伤亡其实也是常态，所以两方的数字其实都只是给了大家一个参考，真实伤亡应该在两者之间。
