1883年，中法战争爆发。清政府诏令刘铭传入京。此时，刘铭传已在老家肥西县大潜山赋闲10多年。接到诏令，他当即上了一道《遵筹整顿海防讲求武备折》，慷慨主战。6月26日，法国政府下令将驻越南的东京湾舰队和南中国海舰队混合编组，成立一支特遣舰队。同一天，清廷命刘铭传为督办台湾事务大臣，筹备抗法，不久又授福建巡抚，加兵部尚书衔。

　　1884年7月16日，刘铭传抵达基隆，第二天即巡视要塞炮台，检查军事设施，并增筑炮台、护营，加强台北防务。在他到达基隆的第15天，法舰直逼基隆，法军远东舰队司令孤拔，要求清守军“于明日上午八时以前将炮台交出”，守军置之不理。5日，法舰齐向基隆炮台猛烈开火，摧毁了清军数处炮垒及营房，守军被迫向内地撤退。法军登陆，占领基隆港。8月6日，法军陆战队向基隆市街搜索前进，并攻击附近高地。守军在刘铭传亲自统率下奋勇从各个方向进行反击，逐渐缩小包围圈。经过几小时的激战，法军伤亡100余人，狼狈逃回军舰，侵占基隆的计划破产。

　　法军侵犯基隆首战即告失败，于是又向清政府提出新的和议条件，清政府再次拒绝。此时，法舰已有预谋地集中于福州马江，并于23日下午发动突然袭击，把福建水师所有战舰全部击沉，然后炮轰马尾造船厂和马江沿岸各炮台。从此，法军掌握了台湾海峡的制海权，得以随心所欲地全力侵台。

　　法军占领基隆后，于8日又对沪尾发起进攻。法军不擅长陆战，一进丛林，便失去了统一指挥，只得各自为政。这时，刘铭传指挥预先埋伏在各处的清军从北、东、南三个方向奋起截杀。在短兵相接中，守军充分发挥自己的优势展开近战，而法军却溃不成军，伤亡累累。到最后，法军弹药用尽，全线崩溃，只得奔向海滩，逃回舰上。

　　为了挽救进攻受挫、和谈停顿的困境，法国侵略者宣布自10月23日起封锁台湾。在这种情况下，刘铭传率领全台军民，同仇敌忾，大陆许多大小船只，不顾风浪和被截捕的危险，采取夜航、偷渡或在东南部海岸登陆等方式，突破法军封锁线，把3000名淮军、武器和军饷安全运到台湾。沿海地方当局也纷纷“协饷馈械，南洋最多，北洋次之”。此外，云南、广西两省军队也相机向安南边境的法军阵地进攻，以为牵制。在全国上下的大力支援下，台湾终于度过了由法军封锁所引起的社会经济危机，使敌人的封锁计划完全破产。

　　随着法军增兵大批到达，1885年3月3日法军派出精锐1300余名猛扑月眉山，5日又出动2000名直攻戏台山。守军腹背受敌，抵挡不住，月眉山失守，退守基隆河南岸。法军多次进攻，但始终局促于基隆港周围一隅之地，经常受到守军反攻的威胁。

　　为了摆脱进退维谷的困境，法军于3月29日向澎湖发起进攻，31日占领澎湖岛。但此时，法军在镇南关大败，导致茹费理内阁倒台，中国占有极其有利的形势。清政府决定“乘胜即收”，《中法合订越南条约》在天津正式签订，中国承认法国对越南的保护权，开放蒙自、龙州两地与法国通商，法军撤出基隆、澎湖，并撤销对中国海面的封锁。在中国军民的英勇抵抗下，法国侵占台湾的战争以失败告终。

　　“抗法保台、建设台湾，刘铭传一生最光彩的亮点在台湾。130年来，他的事迹一直在海峡两岸广为流传，成为牵系皖台同胞骨肉亲情的纽带和桥梁。”安徽省政府文史研究馆馆员、安徽历史文化研究中心主任翁飞说。

　　1885年（光绪十一年），清廷任命刘铭传为首任台湾省巡抚。在台湾任职期间，刘铭传修建铁路，开煤矿，创办电讯，改革邮政，发展航运事业，促进台湾贸易，发展教育事业，促进了台湾近代工商业的发展，台湾防务也日益巩固。刘铭传是推动台湾现代化建设的先驱者，有台湾洋务运动之父和台湾近代化之父之誉。

　　1896年1月12日，《马关条约》签订的消息传来，已辞职居住老家刘新圩的刘铭传得知自己一生中花最大精力创置的台湾省被割让给日本，忧愤而逝。

　　1956年，为了纪念清朝台湾巡抚刘铭传，包德明博士与李应兆博士共同创办了台湾铭传大学。2011年4月12日，刘铭传遗骨葬到其故里肥西大潜山麓，并建有刘铭传墓园，作为肥西县爱国主义教育基地。