Nguyễn Văn Sung học văn rất thông tuệ, học võ sớm tinh thông các môn vật, gậy, đoản đao, kiếm. Năm 1882 quân Pháp hạ thành Hà Nội lần thứ hai, ngày 28/3/1883, quân Pháp hạ thành Hưng Yên Nguyễn Văn Sung khi đó đang ở làng Tam Á, tổng Tam Á liền tập hợp anh em trong phường gặt và anh em nghèo trong vùng sắm sửa vũ khí, tích trữ lương thực mưu đồ nổi dậy chống Pháp bị quân Pháp vây bắt, nhưng được nhân dân giúp đỡ nên ông đã trốn thoát. Đúng vào thời gian đó Tuần Vân ở xã Xuân Quan, huyện Văn Giang, tỉnh Bắc Ninh khởi binh đánh Pháp, Nguyễn Văn Sung đem vài chục thủ hạ đến theo. Ông nhanh chóng trở thành một thủ lĩnh xuất sắc của Tuần Vân. Đốc Sung đã chặn đánh quân Pháp nhiều trận như trận chợ Bốn, bên trong đê Cự Khối, huyện Gia Lâm gây cho quân Pháp nhiều thiệt hại.

Tháng 9/1885, Nguyễn Văn Sung đã có mặt trong buổi lễ Tế cờ tại Văn chỉ Bình Dân. Nguyễn Thiện Thuật phong ông chức Đề đốc và dâng sớ về căn cứ kháng chiến ở Quảng Trị để vua Hàm Nghi ban thưởng. Vua ban cho ông Kim tiền và thanh gươm báu, chuôi bằng ngà voi có tám chữ: “Phục quốc diệt thù – Tiền trảm hậu tấu”. Nguyễn Thiện Thuật giao cho ông chiến đấu ở Nam Bắc Ninh, Bắc Hưng Yên và Bắc Hải Dương dưới quyền Hồng lô Tự khanh Tán lý quân vụ Ngô Quang Huy.

Đốc Sung đóng quân ở đình Tam Á, và ở khu đền Sĩ Nhiếp rộng tới hơn 2 mẫu cây cối um tùm. Nhưng Tam Á là một làng trống trải nên ông còn xây dựng căn cứ ở cánh đồng Trằm và xây dựng làng Hà Mãn cách đó một quãng thành làng chiến đấu. Biết tin Đốc Sung về hoạt động ở Gia Lâm, Thuận Thành, Gia Bình bên Tả ngạn sông Đuống và Từ Sơn, Tiên Du bên Hữu ngạn sông Đuống, Pháp đưa quân đến đánh, ông lập trận địa ở cánh đồng Trằm rồi nhử chúng vào Hà Mãn, đặt phục binh hô quân đánh giáp lá cà. Quân Pháp thua bỏ chạy để lại trên 10 súng bắn nhanh.

Cuối năm 1885, Nguyễn Thiện Thuật điều ông về đóng ở Tây Nam huyện Mỹ Hào, bảo vệ căn cứ Bãi Sậy. Ông đóng quân ở làng Liêu Trung cùng Lãnh binh Lưu Ngọc Tháu xây dựng Liêu Trung thành làng chiến đấu. Quân pháp cho cai Ponnis về đóng đồn Thụy Lân, giáp Cầu Đừng qua sông Nghĩa Trụ, chặn nghĩa quân từ Cầu Treo, Sài Trang tiến vào Bãi Sậy.

Khi Đề đốc Nguyễn Văn Sung đóng quân ở Liêu Trung, ông đã tổ chức cho nghĩa quân khai hoang, phục hóa cấy được hơn 100 mẫu lúa và rau mầu. giảm bớt sự đóng góp của dân. Đốc Sung đã “thi hành chính sách đạc điền”, tức là bắt bọn địa chủ ở Dịch Trì và các làng ông kiểm soát phải khai báo diện tích ruộng đất. Bọn này sợ phải đóng thuế nhiều nên đã khai bớt diện tích. Ông cho đo đạc lại tịch thu số ruộng đất dôi ra, sung vào công điền rồi chia cho dân nghèo.

Địa bàn hoạt động của Đề đốc Nguyễn Văn Sung rất rộng. Tháng 10-1888 Đốc Sung đưa quân đến đánh phá huyện Cẩm Giàng. Về trận này quân Pháp thú nhận như sau: “Trong khi huyện Mỹ Hào được yêu ổn thì hulyện Cẩm Giàng lại bị quân cướp của Đốc Sung từ Bắc Ninh đến quấy phá luôn. Các vùng khác, trừ miền núi vẫn yên”. Nghĩa quân của ông hoạt động rất mạnh, đẩy lùi được rất nhiều cuộc đàn áp của giặc.
Đầu tháng 3/1891 Đốc Sung đưa quân về hoạt động ở quê ông: tổng Liêu Xá, huyện Yên Mỹ, đạo Bãi Sậy, đóng quân ở chùa Đống Long, cạnh làng Dịch Trì thì bị Lãnh Vắn ở làng Đông Mai (sau khi Lãnh Vắn làm phản, Pháp cho hắn làm đồn trưởng đồn Đống Mối) và tên Kha trước đây là thân cận của ông đang đêm đưa quân Pháp đến vây chùa. Đốc Sung khi đó đi tuần phát hiện được liền gọi loa báo cho nghĩa quân và dân biết. Bọn Pháp xả súng bắn, Đốc Sung bị thương nặng ở đùi, ông bò ra khu ao rộng 5 sào trước cửa chùa. Bọn Pháp bủa vây chung quanh, ông giấu thanh gươm vua Hàm Nghi ban vào bụi lau sậy rồi rút súng lục bắn vào miệng tự sát. Con cháu Đốc Sung vẫn cúng giỗ vào ngày 27 tháng 2 âm lịch (ngày 17 tháng 3 năm 1891).