Tôn Thất Thuyết (sau này có cả Trần Xuân Soạn) đều sang Trung Hoa với mục đích xin sự viện trợ về vũ khí và quân trang để duy trì cuộc khởi nghĩa, hơn nữa để bắt liên lạc với các nhà yêu nước Việt Nam đang hoạt động (có tiếng) tại Trung Hoa để đề nghị họ tác động lên triều đình Mãn Thanh.
Sở dĩ ông quyết định làm điều này, vì triều Thanh về phần quân đội vẫn còn rất mạnh. Sau sự kiện hai hiệp ước 1883 và 1884 được ký kết, quân Việt Nam đã liên minh chặt chẽ với quân Thanh đánh tan quân Pháp nhiều trận, nổi bật là trận cầu Quan Âm và trận Lạng Sơn. Sợ rằng quân Thanh đánh quyết liệt sẽ tạo điều kiện cho Anh, Đức thừa cơ nhảy vào Việt Nam "chia phần" núp dưới bóng của quân Thanh, Pháp mới ký Quy ước Thiên Tân (1885) cho quân Thanh rút lui. Pháp thừa biết quân Thanh vẫn còn rất mạnh nên "vừa đánh vừa xoa", đồng thời có lẽ là đã "nhờ" các đế quốc khác (Anh, Đức, Nhật Bản) gây sức ép buộc quân Thanh phải trở về nước giải quyết, nên quân Thanh không còn lý do gì để ở lại liên minh với quân ta chống Pháp, phải rút lui. Tôn Thất Thuyết quyết định cầu viện để nhờ nhà Thanh gây sức ép (quân Thanh còn rất mạnh) buộc Pháp phải rút khỏi đất nước ta, vì có lẽ ông thừa biết quân Pháp vẫn còn ngán ngại sức mạnh của quân Thanh; ông dựa vào quân Thanh dễ đuổi Pháp ra khỏi đất nước. Lúc đầu, việc cầu viện có gặp thuận lợi..... Nhưng sau sự kiện quân Thanh thất bại trong chiến tranh với Nhật năm 1895, phải cùng với Pháp ký liên tiếp hai công ước hoạch định biên giới phía Bắc là Công ước Constans (1887) và Công ước Gerard (1895) nên nhà Thanh quyết định giữ Tôn Thất Thuyết lại. Tôn Thất Thuyết sống ở Trung Hoa một thời gian, rồi qua đời tại đó năm 1913
Dù hành động của ông bị nhiều người đương thời cho là "thiếu sáng suốt", một hành động "đào ngũ" (lời của tên tướng Gosselin), nhưng hành động này của ông cũng đáng ghi nhận vì ông đã nỗ lực cứu nước đến hơi thở cuối cùng, mặc dù con đường cứu nước của ông có phần chưa đúng (dựa vào ngoại bang - đây là tiền đề cho Phan Bội Châu, Phan Châu Trinh cũng dựa vào ngoại bang để cứu nước, nhưng tất cả đều thất bại, vì bản chất của ngoại bang - đế quốc là giống nhau)