1894年8月，劉承福接到新的命令，幫辦台灣軍務，隨後他率領兩個營的兵力趕赴台灣。此時，日本侵略者已經發動了甲午海戰，並開始作奪取台灣的準備。劉承福深知肩負民族責任，到台灣後立即擴充軍隊，修整炮台，開挖工事，作抗擊侵略者的準備。在當地人民的支援下，數月之內劉永福的軍隊擴充為八個營，共四千餘人，劉永福仍自稱為黑旗軍。
甲午海戰以中國軍隊的徹底失敗而告終，清政府與侵略成性的日本人簽訂了喪權辱國的《馬關條件》，條約規定：割讓中國領土遼東半島、台灣及附屬島嶼給日本，開放沙市、重慶及蘇州、杭州等口岸，賠償日本軍費兩億兩白銀。
簽訂《馬關條約》的消息傳到台灣，全島人民痛心疾首。台北民眾擁到巡撫衙門，強烈抗議政府的賣國行為。清政府命令在台灣的大小官員一律撤回大陸。但是劉永福卻要堅決與台灣人民起抗日，他令人草擬了《盟約書》，號召聯合抗日，誓保國土。台灣紳士和民眾推舉劉永福為民主國總統，領兵抗日。劉永福為維護民族團結和國土的統一，擔起了抗日重擔，但堅決拒絕民主國總統之稱，也不接受“銀印”，而是以清政府台灣軍事幫辦的身份率領台灣軍民抗日。劉永福說：“我不慕虛名，不做總統。我在台一日，唯有竭盡一日之心。盼諸君同心協力，共襄義舉。”
為了團結台灣不同派係的抗日勢力，劉永福做了大量的工作，每次戰鬥，他都把黑旗軍放在最危險最艱難的地方；而打了勝仗，又總是歸功於其他的部隊，這樣，劉永福就自然成了各派勢力的公認統帥，形成了團結抗日的合力。在1894年8月的彰化城東戰役中，劉永福指揮聯軍打了一場漂亮的殲滅戰，斃敵千餘，打死日軍少將一人。在嘉義戰役中，炸死敵人七百餘人，敵中將重傷而亡。在台南港的保衛戰中，重傷日艦兩艘。
劉永福在外無救援、內缺裝備的條件下，帶領台灣軍民與日軍戰鬥了四個月，最終彈盡糧絕，黑旗軍將士絕大部分戰死，日軍占領了台灣全島，劉永福見此情景，淒然歎道：“內地諸公誤我，我誤台民！”最後他隻得搭英輪回到廈門。回大陸後，行將滅亡的清政府任命劉永福為廣東碣石鎮總兵。1911年，發生了辛亥革命，清政府滅亡，他親眼看見了清政府的滅亡。劉永福被推舉為廣東民團總長。不久，告老還鄉閑居，1917年病逝，結束了他曲折而不平凡的一生。