Năm 1874, khi đã đỗ Tú tài, Nguyễn Thiện Thuật được triều đình nhà Nguyễn cử làm Bang biện do có công đánh giặc ở Kinh Môn tỉnh Hải Dương. Năm (Bính Tý) 1876 ông tiếp tục dự kỳ thi nho học và đậu Cử nhân - cùng khoa thi này có Phan Đình Phùng - vào năm sau đỗ Đình nguyên Tiến sĩ. Sau đó Nguyễn Thiện Thuật được thăng chức Tri phủ Từ Sơn tỉnh Bắc Ninh. Rồi ông được bổ nhiệm giữ chức Tán tương quân vụ tỉnh Hải Dương (Vì thế nhân dân thường gọi ông là Tán Thuật). Năm 1881, ông giữ chức Chánh sứ sơn phòng tỉnh Hưng Hóa kiêm chức Tán tương quân vụ tỉnhSơn Tây. Ông làm quan thanh liêm, công minh và có tài cai trị. Khi thực dân Pháp đánh chiếm Bắc Kỳ lần thứ hai năm 1882-1883, nhà Nguyễn đầu hàng, nhưng Nguyễn Thiện Thuật đã kháng lệnh triều đình nhà Nguyễn, quyết tâm đánh Pháp.

Đầu năm 1883, ông sang Đông Triều tỉnh Quảng Ninh để chiêu mộ nghĩa quân và liên kết với Đinh Gia Quế, là lãnh tụ của nghĩa quân Bãi Sậy (ngày nay thuộc các huyện: Khoái Châu, Văn Giang, Yên Mỹ, Mỹ Hào của tỉnh Hưng Yên) để chống Pháp. Cuối năm 1883, sau khi ký hiệp ước Harmand, vua Tự Đức ra lệnh bãi binh ở Bắc Kỳ, nhưng Nguyễn Thiện Thuật kháng chỉ và lên Hưng Hóa, Tuyên Quang cùng với Nguyễn Quang Bích tiếp tục kháng chiến.

Năm 1884, thành Hưng Hóa thất thủ, ông rút lên thành Lạng Sơn phối hợp với Lã Xuân Oai, Tuần phủ Lạng Bình (Lạng Sơn, Cao Bằng) kháng Pháp, cho tới khi thành này thất thủ năm 1885, thì trốn sang Long Châu - Trung Quốc.

Tháng 7 năm 1885, vua Hàm Nghi hạ chiếu Cần Vương. Nguyễn Thiện Thuật trở về nước, thành lập căn cứ địa Bãi Sậy, tiếp tục sự nghiệp của thủ lĩnh Đinh Gia Quế (do thủ lĩnh Đinh Gia Quế đã mất). Vua Hàm Nghi phong cho ông làm Bắc Kỳ hiệp thống quân vụ đại thần, gia trấn Trung tướng quân, nên nhân dân còn gọi ông là quan Hiệp Thống. Dưới sự lãnh đạo của Nguyễn Thiện Thuật, khởi nghĩa Bãi Sậy lan ra khắp tỉnh Hưng Yên và một số tỉnh lân cận như: Hải Dương, Thái Bình.

Căn cứ Bãi Sậy là khu rừng sậy ở giữa các huyện Văn Giang, Khoái Châu, Yên Mỹ và Mỹ Hào. Vị trí Bãi Sậy hiểm yếu và có nhiều đường thông ra ngoài. Chính nhờ vậy, mà nghĩa quân đã bung ra hoạt động khắp nơi, lan sang các tỉnh lân cận khác như Hải Dương, Bắc Ninh, Bắc Giang, Quảng Yên...

Trong 10 năm kháng chiến, khởi nghĩa Bãi Sậy có thể chia ra làm 3 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là từ năm 1883- 1885, do thủ lĩnh Đinh Gia Quế lãnh đạo; Giai đoạn thứ hai từ năm 1885- 1890, do thủ lĩnh Nguyễn Thiện Thuật lãnh đạo và giai đoạn thứ 3 là từ năm 1890- 1892, do thủ lĩnh Nguyễn Thiện Kế lãnh đạo.

Căn cứ Bãi Sậy ngoài ở vị trí hiểm yếu, tiện phòng thủ, thuận lợi trong tiến công, nơi đây còn làm cho giặc Pháp và quân lính tay sai khiếp sợ vì có rất nhiều hầm hào luồn dưới những thân sậy, lớp nọ chồng lên lớp kia. Rắn độc cũng rất nhiều, nhiều tên lính bò vào căn cứ để trinh sát bị rắn cắn chết. Đã có rất nhiều toán quân Pháp liều chết thọc sâu vào căn cứ thì cả toán không một tên nào sống sót trở về mà không hề có một tiếng súng nổ.

Tương truyền để lọt vào được căn cứ, phải vượt qua những đám sậy cao tới 3 mét cùng những gai mỏ quạ, cả gai leo, gai dứa cùng những cây lá han đụng vào là sưng tấy nhức buốt đến tận xương. Nếu vượt qua được cây lau sậy và đầm lầy, thì còn vô vàn những con đỉa đói bám lấy giặc Pháp mà hút máu. Quân giặc dò dẫm như đi vào mê hồn trận, đang lúc bàng hoàng chưa biết đi về hướng nào thì cờ đỏ phất lên, lập tức nghĩa quân nấp trong các hầm hào, địa đạo bí mật nổ súng. Ban ngày nghĩa quân ở trong căn cứ, sản xuất lương thực, ban đêm đi tập kích các đồn địch. Nhân dân tự động làm công tác trinh sát, phát hiện các cuộc càn quét của giặc báo cho nghĩa quân, nên nghĩa quân đã kịp thời đón đánh chúng.

Nghĩa quân không chỉ đánh giặc khi chúng xâm phạm vào căn cứ, mà còn tấn công các đồn binh như: Bình Phú, Lực Điền, Thuỵ Lân (Yên Mỹ), đồn Bần, đồn Thứa (Mỹ Hào), đồn Phủ Ân Thi, đồn Ứng Lôi (Phù Cừ), các đồn ở huyện Văn Giang và phục kích quân Pháp trên đường số 5, đường 39. Bọn cầm đầu quân sự Pháp ở Trung - Bắc Kỳ phải thú nhận:Nhờ căn cứ Bãi Sậy “Nghĩa quân vẫn thật sự cai trị các làng, còn bọn quan cai trị Pháp đặt ở các phủ huyện để cai trị dân thì tỏ ra bất lực và hoảng sợ trước sự phát triển của nghĩa quân, chúng bỏ trốn vào các tỉnh lỵ. Phần đông các tổng lý lại có cảm tình hoặc ủng hộ quân khởi nghĩa”

Tháng 10 năm 1885 Thống tướng người Pháp là Roussel de Courcy giao cho thiếu tướng François de Négrier, trung tá Donnier cùng Hoàng Cao Khải mở cuộc càn quét lớn vào căn cứ Bãi Sậy. Được tin, Nguyễn Thiện Thuật lệnh cho các tướng bí mật tấn công vào các đồn địch, chặn đường địch hành quân. Sau đó, ông nhử địch vào sâu căn cứ nơi đặt trận địa mai phục. Khi quân Pháp biết bị mắc lừa định rút lui thì quân Bãi Sậy nổ súng và dùng đoản đao, mã tấuđánh giáp lá cà. Nhiều quân Pháp bị giết, tướng Négrier chạy thoát.

Thống tướng De Coursy bị bãi chức, Charles-Auguste-Louis Warnet sang thay. Warnet thực hiện càn quét quy mô lớn bằng chiến lược phân tán quân đội, lập các đồn nhỏ để dễ tuần tiễu, đồng thời chuyển chế độ cai trị bằng quân sự sang dân sự, nhưng cũng không thành công.

Ngày 9 tháng 2 năm 1888, em Nguyễn Thiện Thuật là Nguyễn Thiện Dương bị tử trận trong cuộc đụng độ với quân Pháp do viên đội Fillipe chỉ huy. Được tin em chết, ngay đêm đó Nguyễn Thiện Thuật lệnh cho Tuần Vân, Đề Tính tấn công đồn Ghênh và đồn Bần Yên Nhân để trả thù, giết chết 21 quân địch.

Ngày 11 tháng 11 năm 1888, Hoàng Cao Khải cùng giám binh Ney chỉ huy đồn Mỹ Hào đưa lính về gặt lúa ở Liêu Trung tổng Liêu Xá, muốn buộc dân hết lương phải ra đầu thú, xa rời quân Bãi Sậy. Nguyễn Thiện Thuật được tin, lệnh cho các tướng Nguyễn Thiện Kế, Nguyễn Văn Sung, Vũ Văn Đồng đem 800 quân trong đó có 400 tay súng giả dạng phu gặt để phục kích. Quân Bãi Sậy nổ súng giết chết 31 quân địch, trong đó có giám binh Ney, Bang tá Nguyễn Hữu Hào. Hoàng Cao Khải trốn thoát về Mỹ Hào rồi nhờ giáo dân Kẻ Sặt đưa đường chạy về Hải Dương.

Tháng 6 năm 1889, Thống sứ Bắc Kỳ ra lệnh thành lập đạo quân Tuần cảnh do Hoàng Cao Khải với chức Khâm sai Bắc Kỳ làm Tư lệnh trưởng, Muselier làm Cảnh sát sứ. Quân Bãi Sậy giao chiến quân Tuần cảnh suốt 8 tháng, gây cho địch khá nhiều thiệt hại. Trận Đông Nhu, quân Bãi Sậy giết viên quản khố xanh Leglée; ngày 24 tháng 7 giết chết viên quản khố xanh Escot ở làng Hoàng Vân. Ngày 18 tháng 10 Nguyễn Thiện Thuật bắn viên quản Montillon bị trọng thương. Ngày 11/4/1891 quân của Hai Kế và Đề Vinh bị vây ở Mậu Duyệt, hai bên bắn nhau, viên quản Desmot bị giết, giám binh Lambeet bị thương. Nhiều lần không thắng được, người Pháp phải tặng Nguyễn Thiện Thuật danh hiệu "Vua Bãi Sậy”.

Từ sau khi vua Hàm Nghi bị bắt (1888) và lưu đày ở châu Phi, phong trào Cần vương bắt đầu suy yếu. Sức mạnh của quân Bãi Sậy cũng suy yếu dần. Quân Pháp thiết lập được nhiều đồn quanh căn cứ Bãi Sậy, các tướng: Lãnh Điều, Lãnh Lộ, Lãnh Ngữ, Đề Tính cùng một số tướng lĩnh khác tử trận, số còn lại bị truy kích. Hoàng Cao Khải nhân danh vua Đồng Khánh chiêu dụ Nguyễn Thiện Thuật ra hàng và hứa khôi phục chức tước. Ông đã viết vào tờ sớ dụ này 4 chữ “Bất khẳng thụ chỉ” (Không chịu nhận chỉ). Sau đó, ông giao quyền lãnh đạo cho em là Nguyễn Thiện Kế rồi sang Trung Quốc mưu tính cuộc vận động mới.

Sự nghiệp chưa thành, thì ông mất vì bệnh ngày 25 tháng 5 năm 1926 và được an táng trên quả đồi thuộc hương Quan Kiều, ngoại vi thành phố Nam Ninh, tỉnh Quảng Tây (Trung Quốc). Bia mộ khắc dòng chữ “Việt Nam cách mạng. Cố tướng quân Nguyễn Công Thiện Thuật - Chi mộ”. Vào năm 1990, Việt kiều ở Trung Quốc đã di chuyển phần mộ Nguyễn Thiện Thuật từ đồi hương Quan Kiều về đồi hương Đại Lĩnh, phía nam thành phố Nam Ninh, cùng khu vực nghĩa trang của bộ đội, thương binh Việt Nam sang Trung Quốc điều trị và mất tại đây.

Ngày 30/1/2005 tỉnh Hưng Yên đã phối hợp với địa phương và dòng họ của lãnh tụ khởi nghĩa Bãi Sậy Nguyễn Thiện Thuật, đưa hài cốt của ông về an táng tại quê hương Xuân Dục, huyện Mỹ Hào. Cũng trong năm 2005, tỉnh Hưng Yên đã xây dựng nhà bia tưởng niệm Nguyễn Thiện Thuật trong khu di tích lăng mộ của ông gần với cây đề cổ thụ, vọng gác tiền tiêu của nghĩa quân Bãi Sậy năm xưa.

Trong cuộc khởi nghĩa Bãi Sậy - do Nguyễn Thiện Thuật lãnh đạo kéo dài 6 năm( 1883-1890). Ngoài tinh thần anh dũng bất khuất của nghĩa quân, thì gia đình danh nhân Nguyễn Thiện Thuật là tấm gương sáng về tinh thần yêu nước, sẵn sàng hy sinh kháng Pháp đến cùng. Hai người cháu ruột của Nguyễn Thiện Thuật bị triều đình tay sai nhà Nguyễn xử tử; hai người em ruột của ông là: Nguyễn Thiện Dương, Nguyễn Thiện Kế đều hy sinh vì nước; hai người con trai, Nguyễn Thiện Tuyển, Nguyễn Thiện Thường hy sinh anh dũng. Sau khi Bãi Sậy tan vỡ, anh hùng Nguyễn Thiện Tuyển về chiến khu Yên Thế tiếp tục chiến đấu, sau bị giặc bắt và bị xử chém tại Bần Yên Nhân vào tháng 4-1909.