日拜见了新任台湾巡抚唐景崧，提议自己带兵防守台北，但遭到拒绝。九月三十日，唐景崧安排刘永福防守凤山东港至恒春一带，即台南府南部沿海，限制其活动范围。同年冬天，两江总督张之洞打算调刘永福北上上海防守，刘永福借此机会向总理衙门申诉自己在台湾受到排挤的情况，请求增兵增饷，但这些安排最终未落实。
光绪二十一年（1895年）正月，北洋水师全军覆没，日军越过辽河，逼近山海关。张之洞打算将刘永福调至京畿抵御日军，唐景崧同意。但不久后，日军军舰出现在澎湖海域，唐景崧决定加强台南防守，叫停了调刘永福北上的计划。张之洞于二月二十三日分别致电唐景崧和刘永福，劝两人以大局为重。四天后，日军占领澎湖。三月二十三日，《马关条约》签订，中国将台湾和澎湖列岛割让给日本。刘永福闻讯后，誓言抗日保台。
五月二日，唐景崧在台湾士绅的支持下成立了抗日政权“台湾民主国”，自任总统，刘永福被任命为大将军。五月九日，因台湾镇总兵万国本内渡，唐景崧命刘永福暂代此职。刘永福返回台南，不久后台北被日军占领，唐景崧及其官员纷纷内渡，日本军舰在台南安平海域侦察。刘永福致电闽浙总督边宝泉请求“暗助”，边宝泉联系张之洞，张之洞表示“任其自为之”。
刘永福接到了伪托张之洞名义的电文，要求他坚守两个月，援兵即可至。刘永福受此伪电鼓舞，将其公告台南，民众士气大振，誓死抵抗。随后台南绅民推戴刘永福为“台湾民主国”总统，但他拒绝，仍以帮办台湾军务、南澳镇总兵、署台湾镇总兵的身份领导抗战。
闰五月初七日，刘永福与台南文武官吏一百余人歃血为盟，约定他为抗日保台的盟主，誓言与日本战至台湾最后一寸土地。台中知府黎景嵩告急求援，刘永福派易顺鼎带三营兵力驰援台中，但易顺鼎中途变卦，刘永福送他登船内渡。七月四日，刘永福收到日本首任台湾总督桦山资纪的劝降信，刘永福严词拒绝，并誓言恢复台北。然而，抗战局势日益恶化，苗栗、大甲溪接连失守，吴彭年与台湾义军退守彰化。刘永福派兵增援，但八卦山炮台失守，吴彭年、吴汤兴、李士炳力战阵亡，残兵退守嘉义。日军逼近台南，刘永福亲赴前线部署，后在谋士吴桐林建议下返回台南