5 іюня 1866 года Гарнье покинулъ Сайгонъ, чтобы начать свое большое изслѣдованіе Индо-Китая, стоящее въ ряду самыхъ замѣчательныхъ и самыхъ важныхъ изслѣдованій, сдѣланныхъ въ настоящее время. Это путешествіе, предпринятое по распоряженію французскаго правительства, подъ управленіемъ капитана фрегата Дудара де Лагре, было увѣнчано преміею Парижскимъ и Лондонскимъ географическими обществами. Въ составъ экспедиціи входили Франсисъ Гарнье, Торель, морской хирургъ, докторъ Жуберъ и Карне, молодой чиновникъ министерства иностранныхъ дѣлъ. Дударъ де Лагре умеръ черезъ два года отъ хроническаго страданія печени, и командованіе перешло къ Франсису Гарнье. Самый младшій изъ его спутниковъ, Луи Карне, впослѣдствіи тоже не выдержалъ трудностей трехлѣтняго путешествія (1866–1868). «Пылкій, но впечатлительный и нѣжный, онъ не могъ переносить испытаній, какимъ подвергалась экспедиція (писалъ въ 1871 году Франсисъ Гарнье) и хотя они не отразились на его нравственномъ состояніи, но, по возвращеніи во Францію, Гарнье сталъ безпрерывно болѣть. Онъ вынесъ свою болѣзнь изъ Индо-Китая. Онъ умеръ, и новая жертва прибавилась къ длинному географическому мартирологу».
Франсисъ Гарнье и его товарищи превосходно вели дѣло предпринятаго ими изслѣдованія, полнаго трудностей и опасностей. Вернувшись, они обнародовали, при помощи морскаго министерства, большой трудъ, спеціально посвященный научнымъ результатамъ ихъ путешествія по этимъ мало извѣстнымъ странамъ, гдѣ изобилуютъ археологическія богатства, гдѣ высятся во всемъ своемъ величіи чудовищныя развалины памятниковъ исчезнувшей цивилизаціи (Ангкорскія руины), гдѣ во множествѣ встрѣчаются металлургическія сокровища, гдѣ представляется богатѣйшая жатва натуралистамъ, гдѣ, наконецъ, все ново для географіи.
Едва былъ оконченъ этотъ трудъ, какъ Франсису Гарнье, который четыре года не зналъ ничего, кромѣ утомленія, лишеній и каторжной работы, пришлось посвятить свои силы защитѣ осажденнаго Парижа. Пять мѣсяцевъ былъ онъ начальникомъ главнаго штаба и адмираломъ-комендантомъ наиболѣе страдавшаго отъ осады 8-го монмартрскаго отдѣла, выказавъ при этомъ примѣры неслыханнаго мужества и героизма, ставшія легендарными. Когда состоялось перемиріе, Франсисъ Гарнье отправился въ Китай, съ цѣлью попытаться изслѣдовать одну изъ самыхъ любопытныхъ и наименѣе извѣстныхъ странъ центральной Азіи; но политическія событія въ Тонгъ-Кингѣ принудили его отсрочить выполненіе своихъ проэктовъ. Въ послѣдствіи ихъ уничтожила смерть.
Благодаря нѣкоторымъ неожиданнымъ недоразумѣніямъ, возникшимъ между Франціею и аннамскими властями, Франсисъ Гарнье получилъ приказаніе ѣхать въ Тонгъ-Кингъ, чтобы открыть для торговли рѣку Бодэ, начиная отъ моря до границы Юнъ-Нанъ. Въ его распоряженіи была только одна канонирка, пятьдесятъ шесть человѣкъ экипажа и тридцать солдатъ морской пѣхоты. 11 октября 1873 года онъ покинулъ Сайгонъ и вскорѣ бросилъ якорь въ Куа-Камъ. Аннамскіе чиновники и мандарины встрѣтили его очень враждебно и употребили всѣ средства, даже самыя отвратительныя, чтобы отдѣлаться отъ него. Нѣсколько разъ они пытались отравить воду, которую пили французы, и поджечь ихъ пороховой магазинъ. Въ виду очевидной слабости французскаго экспедиціоннаго отряда, они не побоялись даже угрожать ему нападеніемъ. Тогда Франсисъ Гарнье, безусловно полагаясь на храбрость своихъ людей, рѣшился на героическій шагъ: со ста восемьюдесятью шестью французами онъ приступилъ къ осадѣ цитадели Га-Нои, насчитывавшей въ своихъ стѣнахъ не менѣе семи тысячъ защитниковъ. Безнаказанно направивши огонь изъ находившейся въ его распоряженіи пушки противъ юговосточныхъ воротъ, смѣлый морякъ къ разсвѣту сбилъ ихъ. Затѣмъ, совершивши чудеса мужества и храбрости, онъ занялъ крѣпость. Потери непріятеля состояли изъ 80 убитыхъ и 2000 плѣнниковъ, между которыми было очень много мандариновъ. Эта безпримѣрная отвага повела къ тому, что стоило только сдѣлать небольшое усиліе и весь полуостровъ Тонгъ-Кингъ призналъ бы надъ собою власть Франціи.
Франсисъ Гарнье не остановился и отличился еще въ новомъ дѣлѣ. Онъ овладѣлъ городомъ Намъ-Динкомъ. Но непріятельскія войска, послѣ взятія Га-Нои, вновь собрались съ силами, благодаря стараніямъ предводителя ихъ Сонъ-Тая. Къ нимъ присоединились въ значительномъ количествѣ старые китайскіе инсургенты, опустошавшіе сѣверъ Тонгъ-Кинга. По цвѣту ихъ знамени они были прозваны «Черными Павильонами». Франсисъ Гарнье узналъ, что эта армія со дня на день становилась все грознѣе и грознѣе, и что она подвигается къ Га-Нои. Тогда онъ поспѣшилъ занять цитадель. Будучи въ свою очередь окруженъ со всѣхъ сторонъ, храбрый военачальникъ собралъ своихъ офицеровъ и одному изъ нихъ, Бальни д’Аврикуру, приказалъ пробиться сквозь ряды непріятеля, а самъ аттаковалъ враговъ съ другой стороны.