Từ khi triều đình nhà Nguyễn ký Hòa ước Giáp Thân (1884) với Chính phủ Pháp nước ta bước vào thời kỳ mà các sử gia gọi là Thời kỳ Pháp thuộc. Trong thời kỳ này, chính quyền thuộc địa Pháp thay mặt Nam Triều trong những quan hệ ngoại giao, đồng thời đảm bảo chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ của Việt Nam.
Quần đảo Hoàng Sa trên bản đồ của Đức năm 1876 với lời ghi rõ quần đảo thuộc xứ “Annam”.
Trong khuôn khổ của những cam kết chung, Pháp tiếp tục thực thi chủ quyền của Việt Nam trên hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Trên thực tế, chính quyền thuộc địa Pháp đã có nhiều hành động cụ thể liên tục củng cố, khẳng định và bảo vệ chủ quyền của Việt Nam tại hai quần đảo này.
Theo báo La Nature số 2916 ngày 1/11/1933, năm 1899 Tòan quyền Đông Dương Paul Doumer đã ra lệnh xây dựng một hải đăng trên đảo Hoàng Sa. Tuy nhiên, dự án này đã không thực hiện được vì thiếu kinh phí. Về sự kiện này, tờ La Nature nhận xét: “Chính phủ Pháp đã thiết lập sự đô hộ của họ đối với An Nam mà những hòn đảo này (quần đảo Hoàng Sa) thuộc lãnh thổ của An Nam, nên Pháp có quyền sở hữu và trách nhiệm coi sóc đối với lãnh thổ mới này. Phải nhận thấy rằng họ đã hoàn toàn phớt lờ trách nhiệm cho đến hôm nay. Lý do vì lợi tức ít ỏi hoàn toàn không biện bạch được cho sự thờ ơ này”. Tuy vậy, hải quân Pháp vẫn thường xuyên tuần tiễu vùng biển này để giữ an ninh và cứu giúp các tàu thuyền bị đắm.
Các động thái ít ỏi của chính quyền thuộc địa Pháp tại Đông Dương trong giai đoạn đầu cho thấy sự quan tâm chưa đầy đủ của người Pháp tới hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Chính thái độ này của Pháp đã tạo điều kiện cho một vài nước gia tăng các hoạt động của họ trên vùng Biển Đông dẫn tới nguy cơ đe dọa chủ quyền và sự toàn vẹn lãnh thổ của Việt Nam mà nước Pháp đã cam kết bảo hộ. Từ năm 1909, Trung Quốc bắt đầu đòi hỏi chủ quyền trên quần đảo Hoàng Sa ở một mức độ nhất định. Một lần trong năm 1909, chính quyền tỉnh Quảng Đông cho tàu chiến ra thám sát trái phép quần đảo Hoàng Sa. Ngày 20/3/1921, Tỉnh trưởng Quảng Đông ký một sắc lệnh kỳ lạ sáp nhập quần đảo Hoàng Sa vào Hải Nam. Tuy hành động xâm phạm chủ quyền của Trung Quốc chỉ diễn ra trên giấy tờ, nhưng Pháp cho rằng đây là hành vi nghiêm trọng. Khâm sứ Trung Kỳ LeFol viết trong thư ngày 22/1/1926 gửi Toàn quyền Đông Dương: “Sau khi Trung Quốc có yêu sách vào năm 1909, vì nước Pháp thay mặt nước An Nam về quan hệ đối ngoại theo Hiệp ước bảo hộ, đáng lẽ phải khẳng định quyền của nước được bảo hộ đối với các đảo hữu quan, thì trái lại hình như hoàn toàn không quan tâm đến”. Cũng trong bức thư trên, ông LeFol cho biết, Thượng thư Bộ Binh Thân Trọng Huề của Nam Triều đã có văn thư ngày 3/3/1925 khẳng định: “Các đảo nhỏ đó (quần đảo Hoàng Sa) bao giờ cũng là sở hữu của nước An Nam, không có sự tranh cãi trong vấn đề này”.
Trước các chỉ trích của dư luận cũng như thực tế diễn biến phức tạp trên Biển Đông, từ đầu thế kỷ XX, Pháp đã bắt đầu có những động thái tích cực hơn trong việc khẳng định chủ quyền tại hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Bên cạnh việc gìn giữ an ninh trên Biển Đông, các năm 1917-1918 trong báo cáo của chính quyền Pháp tại Đông Dương có đề cập đến việc lắp đặt đài radio TSF, trạm quan sát khí tượng, hải đăng trên quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Năm 1925, Viện Hải Dương Học và Nghề Cá Đông Dương cử tàu De Lanessan ra khảo sát quần đảo Hoàng Sa. Ngòai tiến sĩ Krempf, Giám đốc Viện Hải Dương Học, còn có nhiều nhà khoa học khác tham gia nghiên cứu về địa chất, về sinh vật… Các nhà khảo sát đã phát hiện một tầng đá vôi phosphat dày khoảng 1 mét với hàm lượng phosphoric từ 23% đến 25% trong tầng mặt và 42% ở tầng sâu. Sự khám phá này mở ra cơ hội cho công việc khai thác phân bón phosphat về sau. Năm 1927, Sở Địa chất và Sinh học Đại Dương cho người ra khảo sát ở quần đảo Trường Sa. Các cuộc khảo sát khoa học đã đưa tới kết luận Hoàng Sa và Trường Sa là sự nhô lên của một thềm lục địa liên tục nhờ các địa tầng dưới biển kéo dài dãy Trường Sơn từ đèo Hải Vân ra Biển Đông. Nếu nước biển rút xuống khoảng 600-700m, Hoàng Sa và Trường Sa sẽ gắn với bờ biển Việt Nam thành một dải đất liền thống nhất.
Ngày 8/3/1925, Toàn quyền Đông Dương ra tuyên bố khẳng định quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa là lãnh thổ Pháp. Tháng 11/1928, Thống đốc Nam Kỳ cấp giấy phép nghiên cứu mỏ ở quần đảo Trường Sa cho Công ty Phosphat Bắc Kỳ Mới. Trong thư ngày 20/3/1930, Toàn quyền Đông Dương gởi cho Bộ trưởng Bộ Thuộc địa Pháp xác nhận: “Cần thừa nhận lợi ích nước Pháp có thể có trong việc nhân danh An Nam, đòi chủ quyền đối với quần đảo Hoàng Sa”. Ngày 13/4/1930, thông báo hạm La Malicieuse ra quần đảo Trường Sa và treo quốc kỳ Pháp. Thông cáo ngày 23/9/1930 của Chính phủ Pháp cho biết về hành động chiếm đóng thực thi chủ quyền của Pháp trên quần đảo Trường Sa. Ngày 4/12/1931 và ngày 24/4/1932, Pháp phản kháng Trung Quốc về việc chính quyền Quảng Đông lúc đó có ý định cho đấu thầu khai thác phosphat trên quần đảo Hoàng Sa. Ngày 15/6/1932, chính quyền thuộc địa Pháp ra Nghị định số 156-SC ấn định việc thiết lập một đơn vị hành chính gọi là quận Hoàng Sa tại quần đảo Hoàng Sa. Ngày 13/4/1933, một hạm đội của hải quân Pháp ở Viễn Đông dưới sự chỉ huy của trung tá hải quân De Lattre rời Sài Gòn ra quần đảo Trường Sa thực hiện đầy đủ các nghi thức truyền thống theo đúng tập quán quốc tế về việc chiếm hữu lãnh thổ tại đây. Ngày 26/7/1933, Bộ Ngoại giao Pháp ra thông báo đăng trên tờ Công báo Pháp về việc hải quân Pháp chiếm hữu một số đảo thuộc quần đảo Trường Sa. Thông báo ghi rõ những hải đảo và tiểu đảo ghi trong văn bản này kể từ nay đã thuộc chủ quyền nước Pháp. Ngày 21/12/1933, Thống đốc Nam Kỳ Krautheimer ký Nghị định số 4762, sáp nhập các đảo thuộc quần đảo Trường Sa (Spratley) nằm trên Biển Đông vào tỉnh Bà Rịa. Trong năm 1937, chính quyền Pháp cử kỹ sư công chính Gauthier ra quần đảo Hoàng Sa nghiên cứu vị trí xây dựng hải đăng, căn cứ cho thủy phi cơ; tuần dương hạm Lamotte Piquet do Phó Đô đốc Istava chỉ huy ra thăm quần đảo Hoàng Sa.
Nam Triều trong thời kỳ này tuy chỉ tồn tại trên danh nghĩa, song vẫn chưa bao giờ từ bỏ chủ quyền của Việt Nam tại hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Ngày 29 tháng 2 năm Bảo Đại thứ 13 (30/3/1938), Hoàng đế Bảo Đại ký Dụ số 10 có nội dung: “Chiếu theo các cù lao Hoàng Sa thuộc về chủ quyền nước Nam đã từ lâu và dưới các tiên triều, các cù lao ấy thuộc về địa hạt tỉnh Nam Ngãi. Đền đời Đức Thế Tổ Cao Hoàng Đế vẫn để y như cũ là vì nguyên trước sự giao thông với các cù lao ấy đều do các cửa bể tỉnh Nam Ngãi. Nhờ sự tiến bộ trong việc hàng hải nên việc giao thông ngày nay có thay đổi, vả lại viên đại diện Chính phủ Nam Triều cũng phải ra kinh lý các cù lao ấy cùng qua các đại diện Chính phủ bảo hộ có tâu rằng nên tháp các cù lao Hoàng Sa vào địa hạt tỉnh Thừa Thiên thời được thuận tiện hơn… Trước chuẩn tháp nhập các cù lao Hoàng Sa vào địa hạt tỉnh Thừa Thiên; về phương diện hành Chính, các cù lao ấy thuộc dưới quyền quán hiến tỉnh ấy”. Ngày 15/6/1938, Toàn quyền Đông Dương Jules Brévie ký Nghị định thành lập một đơn vị hành chánh tại quần đảo Hoàng Sa thuộc tỉnh Thừa Thiên. Cũng trong năm 1938, một bia chủ quyền được chính quyền Pháp dựng lên mang dòng chữ: “Cộng hoà Pháp, Vương quốc An Nam, quần đảo Hoàng Sa, 1816 – đảo Pattle 1938”, một hải đăng, một trạm khí tượng ở đảo Hoàng Sa (Pattle), một trạm khí tượng khác ở đảo Phú Lâm (lle Boisée), một trạm radio TSF trên đảo Hoàng Sa (Pattle); cùng một bia chủ quyền, một hải dăng, một trạm khí tượng và một trạm radio TSF tương tự trên đảo Ba Bình (ltu Aba). Tháng 6/1938, một đơn vị lính bảo an Việt Nam tới đồn trú ở Hoàng Sa.
Ngày 31/3/1939, Nhật Bản tuyên bố kiểm soát quần đảo Trường Sa và chuyển thông báo tới Đại sứ Pháp tại Nhật. Ngày 4/4/1939, Bộ Ngoại giao Pháp gửi công hàm phản đối quyết định của Nhật và khẳng định chủ quyền của Pháp tại quần đảo Trường Sa. Pháp được Anh ủng hộ trong cuộc tranh luận ngày 5/4/1939 tại Hạ Nghị viện, đại diện Bộ Ngoại giao Anh đã khẳng định chủ quyền quần đảo Trường Sa trọn vẹn thuộc nước Pháp. Ngày 5/5/1939, Toàn quyền Đông Dương J. Brévie ký Nghị định số 3282, sửa đổi Nghị định trước và thành lập 2 sở địa lý tại quần đảo Hoàng Sa. Do nhu cầu lập đầu cầu xâm chiếm Đông Nam Á, Nhật đã nhanh chóng chiếm đảo Phú Lâm (1938) và đảo Ba Bình (1939) thuộc quần đảo Trường Sa. Mãi đến ngày 9/3/1945 Nhật đảo chính Pháp ở Đông Dương, Nhật mới bắt lính Pháp đồn trú ở quần đảo Hoàng Sa làm tù binh. Sau Chiến tranh Thế giới thứ II, Nhật rút khỏi hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa và một phân đội lính Pháp đã đổ bộ từ tàu Savorgnan de Brazza lên thay thế quân Nhật từ tháng 5/1945, nhưng đơn vị này chỉ ở đây vài tháng. Trong thời gian từ 20 đến 27/5/1945, Đô đốc D’Argenlieu, Cao ủy Đông Dương cũng đã phái tốc hạm L’Escamouche ra nắm tình hình đảo Hoàng Sa (Pattle) thuộc quần đảo Hoàng Sa.
Suốt thời kỳ Pháp thuộc, người Pháp chưa bao giờ tuyên bố phủ nhận chủ quyền của Vương quốc An Nam ở hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa mà nước Pháp có trách nhiệm bảo hộ. Mặc dù trong giai đoạn này bắt đầu có một số nước lên tiếng đòi hỏi chủ quyền vô lý ở một số đảo, nhưng tất cả đều bị chính quyền Pháp kiên quyết phản đối. Những tư liệu lịch sử nói trên cho thấy, người Pháp cũng như người Việt trong thời điểm này chưa bao giờ từ bỏ chủ quyền của Việt Nam trên hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Cho đến khi thua trận rút khỏi Đông Dương, Chính phủ Pháp cũng đã bàn giao quyền quản lý vùng biển này lại cho người Việt Nam.
