Sau ba năm bị thải về, Cao Bá Quát nhận được lệnh triệu vào kinh (1847)
làm ở Viện Hàm lâm, lo việc sưu tầm và sắp xếp văn thơ. Được hơn một
tháng, ông nhận lệnh đi công cán ở Đà Nẵng, rồi trở về công việc cũ. Thời
gian ở kinh lần này, ông kết thân với các văn nhân như Nguyễn Hàm Ninh,
Đinh Nhật Thận, Nguyễn Phúc Miên Thẩm, Nguyễn Phúc Miên Trinh...và
ông đã gia nhập Mạc Vân Thi xã do hai vị hoàng thân này sáng lập.
Năm 1851[3], không được lòng một số quan lớn tại triều, Cao Bá Quát phải
rời kinh đô Huế đi làm Giáo thụ ở phủ Quốc Oai (Sơn Tây cũ). Một lần
nữa, ông lại trở về quê để cùng khổ với dân, để suy nghĩ thêm về những
chính sách hà khắc của triều đình, để thêm quyết tâm đánh đổ nó.
Giữa năm 1853, lấy cớ về nuôi mẹ già, ông xin thôi dạy học. Gặp lúc vùng
Sơn Tây bị hạn nặng, lại có nạn châu chấu làm cho mùa màng mất sạch,
đời sống người dân hết sức đói khổ. Phần thì phẫn chí, phần thì thương dân,
khoảng cuối năm 1854, Cao Bá Quát tham gia lãnh đạo (tự lãnh chức Quốc
sư) cuộc khởi nghĩa ở Mỹ Lương (Sơn Tây), do Lê Duy Cự làm “Minh
chủ”.
Đang trong quá trình chuẩn bị, thì việc bị bại lộ. Trước cục diện này, Cao
Bá Quát đành phải phát lệnh tấn công vào cuối năm 1854. Buổi đầu cuộc
khởi nghĩa giành được một số thắng lợi ở Ứng Hòa, Thanh Oai...Nhưng sau
khi quan quân triều đình tập trung đông đảo và tổ chức phản công thì nghĩa
quân liên tiếp bị nhiều thiệt hại.
Tháng Chạp năm Giáp Dần (tháng Chạp năm này rơi vào năm dương lịch
1855), sau khi bổ sung lực lượng (chủ yếu là người Mường và người Thái ở
vùng rừng núi Mỹ Lương), Cao Bá Quát đem quân tấn công huyện lỵ Yên
Sơn lần thứ hai. Phó lãnh binh Sơn Tây Lê Thuận đem quân nghênh chiến.
Cuộc đối đầu đang hồi quyết liệt tại vùng núi Yên Sơn, theo sử nhà
Nguyễn, thì Cao Bá Quát bị Suất đội Đinh Thế Quang bắn chết tại trận.
Tiếp theo, thủ lĩnh Nguyễn Kim Thanh và Nguyễn Văn Thực cũng lần lượt
sa vào tay đối phương (sau, cả hai đều bị chém chết). Ngoài những thiệt hại
này, hơn trăm nghĩa quân bị chém chết và khoảng 80 nghĩa quân khác bị
bắt.
Nghe tin đại thắng, vua Tự Đức lệnh cho ban thưởng và cho đem thủ cấp