Nguyễn Thiện Kế theo anh làm việc quân từ năm Bính Tý (1876). Khi Nguyễn Thiện Thuật được thăng Hưng Hoá Sơn phòng chánh sứ kiêm Tán tương quân thứ Sơn Tây. Nguyễn Thiện Kế trực tiếp phụ trách Nam Bắc Ninh, Bắc Hưng Yên, Tây bắc Hải Dương. Với tài thao lược của mình, ông lập được nhiều chiến công, có uy tín rất lớn với các tướng lĩnh, nghĩa quân và nhân dân.

   Khoảng cuối năm 1885, đầu năm 1886, vua Hàm Nghi phong ông chức Hồng lô Tự khanh, sung Bắc Kỳ tán lý quân vụ, ông dâng sớ cố từ, nhận lấy chữ Đường Dân làm hiệu.

   Khi Tổng Khấu ở xã Ngọc Cục làm phản nghĩa quân, Nguyễn Thiện Kế lệnh cho Đốc Khuy giết chết. Tháng 1/1890, căn cứ Bãi Sậy bị bao vây, Nguyễn Thiện Kế, Đề Ban, Đốc Sung tấn công đồn Kẻ Sặt. Ngày 21/2/1890 Nguyễn Thiện Kế ở lại cùng Đốc Sung, Lãnh Mỹ tấn công đồn điền Iakmon (Hải Dương).

   Từ tháng 10/1890, Nguyễn Thiện Thuật sang Trung Quốc, giao binh quyền cho Nguyễn Thiện Kế. Ông cùng các tướng vẫn lấy Bãi Sậy làm căn cứ chính nhưng hoạt động quân sự chủ yếu ở các huyện Từ Sơn, Tiên Du, Thuận Thành, Quế Võ, Lang Tài (Nam Bắc Ninh), Cẩm Giàng, Thanh Miện, Bình Giang (Bắc Hải Dương), Ân Thi, Mỹ Hào (Hưng Yên).

   Để dễ vận động, Nguyễn Thiện Kế chia quân thành các toán nhỏ 20- 25 người hoạt động lưu động từ làng này qua làng khác. Chính các toán quân nhỏ này đã liên tục tập kích vào các đồn địch ở Khoái Châu, Hà Tiên (một thôn ở huyện Ân Thi giáp ranh với huyện Thanh Miện tỉnh Hải Dương, Phú Trạch (tổng Mễ Sở, Khoái Châu) gây cho quân Pháp nhiều thiệt hại.

   Sang năm 1891, giặc Pháp tập trung quân điên cuồng khủng bố phong trào Bãi Sậy, nhưng nghĩa quân do Nguyễn Thiện Kế lãnh đạo vẫn hoạt động mạnh mẽ.

   Dưới sự lãnh đạo của Nguyễn Thiện Kế, nghĩa quân Lưu Kỳ, Tiền Đức đã tấn công các lầu thuyền của quân Pháp trên sông Thái Bình và sông Văn Úc, Lãnh Quý cũng trở lại chiến trường cũ là Thanh Hà, Tứ Kỳ, Kim Thành tổ chức lại đội ngũ liên tục đánh quân Pháp. Tại huyện Thanh Lâm (nay là huyện Nam Sách- Hải Dương) lại xuất hiện các đạo quân khác liên tục sẵn sàng chiến đấu.

   Để đối phó với nghĩa quân do Nguyễn Thiện Kế chỉ huy, Toà sứ Hải Dương thành lập đạo quân này gọi là “lính cơ”. Lại cho quan phủ, huyện được tuyển lính, trang bị vũ khí sẵn sàng đánh phá nghĩa quân, đàn áp các làng ủng hộ nghĩa quân. Quân Pháp tập trung lực lượng quân sự mạnh đàn áp dữ dội hòng dập tắt cuộc khởi nghĩa Bãi Sậy, nhưng phong trào chỉ tạm thời lắng xuống. Hai Kế, Đề Ban, Đề Vinh vẫn duy trì phục hồi phong trào, phát triển lực lượng nghĩa quân ở một số vùng, bẻ gẫy nhiều cuộc càn quét của chúng.

   Ngày 24/3/1891, Nguyễn Thiện Kế đã đánh nhau quyết liệt với thanh tra Lamber với sự hỗ trợ của các đồn Mỹ Hào, Đỗ Mỹ, Phong Cốc, nghĩa quân đi trên một cái thuyền.

   Đầu tháng 7/1891, Nguyễn Thiện Kế, Đề Vinh, Đốc Mỹ, Đề Quý kéo đi rất đông tấn công các đồn binh Pháp.

   Đầu tháng 7/1891, Nguyễn Thiện Kế phái Ba Giang phối hợp với Đề Hiệu, tướng cũ của Tạ Hiện và Đốc Nhưỡng, Đề Gạo mặc quần áo lính khố xanh tiến đánh tỉnh lị Thái Bình. Nghĩa quân đóng quân ở đình Thần Khê (huyện Duyên Hà) thì bị Việt gian báo cho quân Pháp chặn đánh. Đốc Nhưỡng, Đề Gạo bị thương, Đốc Nhưỡng rút quân lên Sơn Tây thì bị quân Pháp bắt xử tử, Ba Giang trở lại Hưng Yên hoạt động.

   Đầu năm 1892, nhiều tướng như Đốc Cọp, Đề Tính, Đốc Sung, Lãnh Điển hy sinh, Lưu Kỳ bị đánh bật ra khỏi Đông Triều, Lục Ngạn, Nguyễn Thiện Kế và các tướng phải luôn luôn di chuyển từ làng này qua làng khác, tỉnh Hưng Yên đến Bắc Ninh, sang Hải Dương rất vất vả. Lực lượng và vũ khí ngày càng hao hụt, có những trận nghĩa quân phải rút lui.

   Tuy bị địch truy bức liên tục nhưng chỉ trong tuần lễ đầu tháng 4/1892, nghĩa quân của Nguyễn Thiện Kế, Đề Vinh đã hạ liền 5 đồn lính Khố xanh và uy hiếp nhiều đồn binh khác. Hoàng Cao Khải và thanh tra Blanchart được tin báo vô cùng hốt hoảng vội vàng điều 600 dân binh, 800 lính lệ đi chặn đánh nghĩa quân.

   Sang năm 1892, Nguyễn Thiện Kế gặp nhiều khó khăn buộc lòng phải giải tán nghĩa quân, Nguyễn Thiện Kế phải cải trang trốn tránh. Từ đó Nguyễn Thiện Kế cải trang làm người bán thuốc bôn tẩu khắp nơi, thường qua lại Trung Quốc thăm anh, đưa đường cho nhiều người trong nước xuất dương Đông du.

   Ngày 14/3/1913 và ngày 26/4/1913 xảy ra hai vụ ném lựu đạn giết chết tuần phủ Thái Bình Nguyễn Duy Hàn và làm bị thương một số sĩ quan Pháp khác ở Hà Nội. Hội đồng Đề hình họp ngày 5/9/1913 nghi ông tham gia vào vụ này và đã kết án chung thân vắng mặt. Năm 1914, khi ông đã ở tuổi 65, nhà cầm quyền Pháp bắt được ông ở chợ Sơn, Từ Sơn, Bắc Ninh. Ông tự tử nhưng có người cứu nên không chết, Pháp đầy ông đi Côn Đảo, khi ông ngoài 70 tuổi chúng mới đưa ông về an trí ở quê nhà. Trước khi đưa ông về quản thúc ở quê nhà, bọn quan cai trị Pháp và Nam triều dụ dỗ ông ra làm quan với chúng song ông không chịu. Khi ở Côn Đảo về, nhà cửa bị tàn phá, tài sản bị cướp hết, ông lại bị quản thúc, cứ bảy ngày phải lên đồn Bần Yên Nhân trình diện một lần, ông phải sống trong cảnh bần hàn, nhưng ông vẫn thường nói với con cháu: “Nếu ta còn sức khoẻ ta sẽ tiếp tục đánh Tây đến cùng”.

   Nguyễn Thiện Kế mất ngày 22 tháng 9 năm Đinh Sửu (25/10/1937) hưởng thọ 88 tuổi tại làng Xuân Đào, xã Xuân Dục trong lòng thương tiếc của nhân dân địa phương và những người Việt Nam yêu nước.