Võ Duy Dương quê ở thôn Cù Lâm Nam, nay là thôn Nam Tường, xã Nhơn Tân, huyện An Nhơn, tỉnh Bình Định. Năm 1889 , quân Pháp đánh chiếm tỉnh thành Gia Định, ông hưởng ứng phong trào chống Pháp đã đi chiêu mộ nghĩa quân. Võ Duy Dương được cử làm Chánh quản đạo, Thủ khoa Huân được cử làm Phó quản đạo.

Tháng 5 năm ấy, triều đình biệt phái Võ Duy Dương ra dẹp giặc cướp ở tỉnh Quảng Ngãi. Trong khi đó ở Nam Kỳ giặc Pháp vẫn không ngừng lấn tới. Tháng 4 năm 1860 phó Đô đốc Charmer nhiều lần tấn công đại đồn Chí Hòa, đều bị tướng chỉ huy là Tôn Thất Hiệp chỉ huy quân sĩ đánh lui. Tháng 8 năm 1860 , Nguyễn Tri Phương và Nguyễn Thế Hiển được Triều đình cử vào thay Tôn Thất Hiệp chỉ huy đại đồn Chí Hòa. Trong khi đó, giặc Pháp cũng mới nhận được viện binh, tầu chiến, đại bác từ Pháp ráo riết chuẩn bị tấn công đại đồn Chí Hòa. Hai ông đã củng cố, xây dựng thêm đồn lũy, đào thêm hầm hào, đặt thêm súng thần công để chống giặc.

Đêm 23 tháng 2 năm 1861, quân Pháp, quân Tây Ban Nha tấn công ác liệt vao đại đồn Chí Hòa. Mặc dù chúng bị thiệt hại nặng nề: 1 quan 5 Tây Ban Nha, 4 sĩ quan cao cấp và 1 805 lính bị giết. Song đến ngày 25/2/1861, Đại đồn Chí Hòa thất thủ. Tán lý Nguyễn Duy, Tán lý Tôn Thất Trí tử trận, Nguyễn Tri Phương, Nguyễn Hiển đều bị trọng thương. Quân triều đình phải rút về Biên Hòa.

Ngày 12/4/1861 tỉnh thành Định Tường (Mỹ Tho) thất thủ, Triều đình cử Đỗ Thúc Tịnh làm Khâm phái quân vụ vào Nam. Đoàn có nhiều nhân sĩ, võ tướng đi theo như Nguyễn Văn Nhã, Võ Duy Dương, Phan Trung. Võ Duy Dương được thăng “Bát phẩm Thiên hộ (quan võ)”.

Ngay từ khi vào Nam Kỳ lần thứ hai, Võ Duy Dương mộ được 1 000 quân, theo quy định ông được trao thêm chức Quản cơ.

Tháng 9 năm 1861, Trương Định giữ chức Phó quản cơ Gia Định chiêu mộ được hơn 6000 quân đánh Pháp. Võ Duy Dương đã cùng với Hồ Huân Nghiệp, Phan Văn Đạt đến giúp ông chỉ huy nghĩa quân. Trong các chiến công của Trương Định có phần công lao của Võ Duy Dương.

Tháng 11 năm 1861, Võ Duy Dương Dương đến Mỹ Quý (nay thuộc Nhị Quý, Cai Lậy, Tiền Giang) đắp đồn Tân Thành cho Trần Xuân Hòa (tức Phủ Cậu) trấn giữ. Quân Pháp tấn công liền trong 57 ngày đêm, thành vỡ, Trần Xuân Hòa chạy thoát nhưng rồi bị bắt và cắn lưỡi tử tiết vào ngày 6 tháng giêng năm 1862.

Ngày 16 tháng 12 năm 1861, quân Pháp mở chiến dịch tấn công vào tỉnh thành Biên Hòa. Ngày 18 tháng 12 năm 1861, tỉnh thành Biên Hòa thất thủ.

Triều đình Huế lo sợ cử Phan Thanh Giản vào Gia Định xin giảng hòa kí kết Hòa ước Nhâm Tuất (1862). Đây là hòa ước nhục nhã đầu tiên triều đình ký với Pháp. Nhân dân Nam Kỳ phản đối, nhiều cuộc khởi nghĩa vũ trang nổ rạ như khởi nghĩa Trương Định, khởi nghĩa Nguyễn Trung Trực, khởi nghĩa Thủ khoa Huân.
Trương Định hy sinh thì Võ Duy Dương trở thành lãnh tụ chính ở vùng Tiền Giang với căn cứ là Đồng Tháp Mười (Định Tường). 

Thủ khoa Nguyễn Hữu Huân cũng giúp Võ Duy Dương tổ chức binh đội, vận động nhân dân tiếp tế lương thực, thực phẩm vào chiến khu.

Võ Duy Dương cho quân lấy ca tra là loại cây có sợi, đập dập bện dây lòi tói, buộc bè gỗ chăng ngang sông Lòng Tàu để cản tàu giặc. Ông còn có sức khỏe, có biệt tài bắt và thuần hóa trâu rừng thành trâu chiến. Đó là con trâu đực đầu đàn của một đàn trâu rừng có cặp sừng nhọn, vô cùng hung dữ. Khi xung trận, ông cưỡi trâu ngụy trang bằng bèo lục bình nam muống lặng lẽ bơi dưới ngòi lạch rồi bất ngờ xông thẳng vào trận địa giặc, hai tay ông sử dụng côn đánh tới tấp vào bọn giặc, trâu thì húc, dày xéo lên lũ giặc. Bọn giặc khiếp đảm, tháo chạy tán loạn đến khi chúng hoàn hồn, tổ chức phản công thì ông cưỡi trâu biến mất dưới những con ngòi lạch chằng chịt ở Đồng Tháp Mười.

Để phòng thủ, Võ Duy Dương đã lợi dụng địa hình các gò nổi để xây dựng một hệ thống phòng thủ từ ngoài vào trong. Ông lại chia các đồn tiền, hậu, tả, hữu để ứng cứu lẫn nhau khi có chiến sự. Hoạt động của nghĩa quân rất táo bạo, các toán nghĩa quân dùng thuyền nhẹ xuất phát từ căn cứ đi đánh phá các đồn binh, lị sở của quân Pháp và tay sai, đánh giao thông địch, cướp các đoàn xe, thuyền chở lương của địch.

Trong suốt ba năm (1864 – 1866) , quân Pháp chưa dám hành quân càn quét, kể cả do thám ở vùng ven Đồng Tháp Mười. Quân Pháp phải mất nhiều năm chuẩn bị, đến tháng 4/1886, mới điều động một đạo quân lớn tấn công vào căn cứ của Thiên hộ Dương ở Đồng Tháp Mười. Thiên hộ Dương và các tướng đã đón đánh địch từ xa. Đạo quân thứ nhất do Bupbê chỉ huy bị chết khá nhiều quân mới chiếm được đồn Sa Tiền. Đạo quân thứ hai do Đêrômờ cũng bị giết chết khá nhiều, xác chúng nằm rải trên đường hành quân mới chiếm được đồn Ấp Lý và bị chặn lại ở đồn Tiền. Đạo thứ ba do tên Ganly Pátsơbôgiơ còn bị thương vong nặng nề hơn, hai đạo quân trên mới chiếm được đồn Gò Bắc. Tên chỉ huy phải xin viện binh mới có đủ lực lượng tấn công đồn Tả. Đồn này được xây dựng kiên cố, có 350 nghĩa quân trong đó có cả hàng binh người Pháp, người Filippin, đồn được trang bị tới 40 đại bác. Trận đồn Tả diễn ra ngày 16/4/1866 là trận quyết liệt nhất, 2 tiểu đội địch chết và bị thương. Quân ta rút khi không còn nghĩa quân. Ngày 24/4/1866, quân Pháp tấn công Cái Thia – Mỹ Tho, bắt được nghĩa quân người Pháp là Lanh ghê (Linquet).

Sau khi rút khỏi căn cứ Đồng Tháp Mười, đem quân phối hợp với con Trương Định là Trương Tuệ (tức Trương Quyền) và thủ lĩnh nghĩa quân người Cămpuchia là A Soa tấn công quân Pháp nhiều trận. Trong đó có những trận điển hình như ngày 7/6/1866, tấn công quân Pháp ở Tây Ninh tiêu diệt được nhiều địch, trong đó có hai sĩ quan. Quân Pháp phải cố thủ trong đồn chờ viện binh. Ngày 14/6/1866 nghĩa quân Việt và Campuchia lại đánh lui nhiều đợt tấn công của quân Pháp tới cứu nguy cho đồn binh Tây Ninh. Tên quan tư lính thủy đánh bộ Macsetxơ (Marchaisse) bị giết tại trận.

Đến tháng 7/1866, Võ Duy Dương phát triển lực lượng chiêu mộ quân chống Pháp ở ba tỉnh Vĩnh Long, An Giang, Hà Tiên. Sẵn lòng căm thù giặc Pháp nhân dân gia nhập nghĩa quân rất đông và đóng góp quân lương.

Triều đình Huế tuy phải thực hiện “Hiệp ước hòa bình và hữu nghị” do triều đình ký với Pháp và Tây Ban Nha ngày 5/6/1862, trong điều khoản 9 quy định: “Triều đình Huế nhận trách nhiệm truy lùng, bắt giữ và giao nộp cho Pháp tất cả những ai có hành động chống đối chính quyền Pháp mà ẩn náu trong các vùng thuộc triều đình cai trị”. Nhưng thực ra Viện Cơ mật ở Huế thường có ý định liên lạc và khuyến khích các hoạt động chống Pháp để tìm cách giành lại mấy tỉnh đã mất. Vì thế người của Triều đình vẫn bí mật liên hệ với Võ Duy Dương, Trương Quyền, A Soa. Tuy vậy trước áp lực của Pháp, Tự Đức đã thực hiện yêu cầu của Pháp.

Không rõ vì lý do gì ba tháng sau, triều đình Nguyễn nói với Pháp là cho Võ Duy Dương, Trương Tuệ trở ra Bình Thuận đi khẩn hoang, rồi lại dặn quan tỉnh Bình Thuận, Khánh Hòa gặp họ thì cho đổi tên đi và cấp cho ngựa về kinh, chứ không ở lại đấy. 

Sự kiện này Đại Nam thực lục chính biên viết như sau:

Tháng 9 năm Bính Dần (10/1866): “Trước Nguyễn Hữu Cơ đến tỵ sở, đi qua Gia Định bảo sứ Pháp rằng: bè lũ Võ Duy Dương nên cho ra thú dồn đi khai khẩn, khi đến Vĩnh Long đem việc ấy nói kín với Phan Thanh Giản, bèn tư cho các tỉnh Vĩnh Long, Gia Định, An Giang, Hà Tiên và các tỉnh từ Bình Thuận trở ra Bắc, phàm bè lũ Duy Dương đều cho ra thú đi khẩn hoang. Lại sắc cho tuần phủ Bình Thuận, Khánh Hòa hễ thấy tên Dương, tên Tuệ thì đem đổi tên, cấp cho ngựa trạm về Kinh, phái đi nơi khác, cho hết điều tiếng”…

Phan Thanh Giản hặc tâu việc này với Tự Đức, Nguyễn Hữu Cơ bị phạt giáng hai cấp. Song việc Võ Duy Dương ra Bình Thuận vẫn được thực hiện. Trước khi đi Thiên hộ Dương “ủy người về kinh dâng sớ kín”.

Trong tháng 10/1866, triều đình Huế được tỉnh thần Thuận Khánh báo rằng: “Duy Dương đi thuyền về tỉnh Bình Thuận đầu thú gặp gió bị đắm ở phần biển Thuần Mẫn, sai tìm xác cho đồ vật đem chôn, cấp cho mẹ hắn mỗi tháng 5 quan tiền, 1 phúng gạo”.