Quá trình thực thi chủ quyền đối với quần đảo Hoàng Sa và quần đảo Trường Sa của các chúa Nguyễn diễn ra thông qua các biện pháp như cắm mốc, xây miếu, dựng bia chủ quyền, khảo sát, đo đạc, khai thác tài nguyên và thực hiện các chính sách khai hoang, lập làng.

Vào năm 1815, vua Gia Long đã sai Phạm Quang Ảnh thuộc đội Hoàng Sa ra thăm dò đường biển và sau đó sai thủy quân cùng đội Hoàng Sa ra khảo sát quần đảo này. Năm 1816, vua Gia Long cho cắm mốc tại Hoàng Sa để khẳng định chủ quyền của Việt Nam. Sau khi vua Gia Long mất, vua Minh Mạng tiếp tục kế thừa và phát huy quyền làm chủ biển, đảo của nước ta. Vua Minh Mạng đã giao cho thủy quân có trách nhiệm đo đạc thủy trình và thuê thuyền của dân hướng dẫn hải trình. Việc này được thực hiện thường xuyên và có hệ thống, góp phần vào việc thành công của bản vẽ Đại Nam nhất thống toàn đồ thời Minh Mạng.

Ngoài việc cắm mốc chủ quyền, các chúa Nguyễn còn xây miếu, dựng bia chủ quyền tại quần đảo Hoàng Sa. Ví dụ, năm 1836, vua Minh Mạng đã cho xây miếu và dựng bia chủ quyền tại bãi Hoàng Sa ở hải phận Quảng Ngãi. Các bia đá này có khắc dòng chữ "Minh Mạng thứ 17, năm Bính Thân, Thủy quân Chánh đội trưởng suất đội Phạm Hữu Nhật, vâng mệnh đi Hoàng Sa trông nom đo đạc đến đây lưu dấu để ghi nhớ".

Các chúa Nguyễn cũng đã thực hiện các chính sách khai hoang, lập làng để củng cố chủ quyền tại quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa. Họ đã đẩy mạnh khai thác vùng Thuận - Quảng để củng cố cơ sở cát cứ, tổ chức di dân đi khai hoang, cấp công cụ, lương ăn, lập thành làng, ấp. Ngoài ra, các chúa Nguyễn còn tổ chức các hải đội để xác lập chủ quyền đối với hai quần đảo này.

Tổng hợp lại, quá trình thực thi chủ quyền đối với quần đảo Hoàng Sa và quần đảo Trường Sa của các chúa Nguyễn diễn ra thông qua việc cắm mốc, xây miếu, dựng bia chủ quyền, khảo sát, đo đạc, khai thác tài nguyên và thực hiện các chính sách khai hoang, lập làng. Các biện pháp này đã khẳng định chủ quyền tuyệt đối, bất khả xâm phạm của Việt Nam tại hai quần đảo này.