20日上午10时，联军两队炮艇开入口内，同时轰击南北两岸炮台。当时，北岸炮台由游击沙春元率部防守；南岸的主炮台由总兵达年和游击德魁率部防守，左炮台由都司讷勒和等率部防守，右炮台由游击陈毅等率部防守。四座炮台的防兵已增加到三千人，大炮二百余门。面对敌人的进攻，各台守兵奋起还击，击沉敌舢板四只，毙敌近百名。法炮艇“霰弹”号遭到重创，艇长被打死，十一人被打伤。与此同时，守军从海口施放了约五十只火船、火筏，顺流而下。联军舰队立即派小艇将火船，火筏拨开，保护两队炮艇继续轰击炮台。接着，口外的联军旗舰“断莱尼”号及其它主力舰只的大口径火炮也向炮台轰击。北炮台的三合土顶盖被击毁，南炮台炮墙亦被轰塌，有的火炮被炸坏。守台兵遭敌炮轰击，伤亡甚众。11时，联军的两支陆战队乘舢板强行登陆，向炮台接近。守军冲出炮台，与敌展开白刃格斗。他们的顽强抗战精神使敌人大为震惊。连目击此次战斗的一个美同人也承认：“中国兵械虽不甚精，而兵弁大都忠勇”。正当炮台防兵与敌艰苦鏖战之际，谭廷襄、钱炘和等却从大沽村乘轿逃跑，致使士气大挫。当敌陆战队进至炮台附近时，后路清军不仅不及时增援，反而讹传前军失利，以致兵勇惊溃。炮台守兵孤军奋战，沙春元、陈毅等中弹牺牲，各炮台遂相继失守，所有火炮、器械，全被敌军掠获。联军陆战队占领南北两岸炮台后，其炮艇沿白河驶向东沽，烧毁浮桥，占领东、西大沽二村。
这次作战，大沽清军数倍于敌，但仅仅按战两个多小时，四座炮台全部落入敌手。其所以如此，主要是清廷动摇不定，缺乏抗战决心。当联军从上海北上时，咸丰帝一面命令在天津，大沽暗地设防，一面又令谭廷襄等“平心静气”地与侵略者“理论”。前线指挥官谭廷襄虽然奉旨设防，但也根本没有打的决心，战前既无周密的防御计划，战时又不亲临前线指挥，危急时刻则带头逃跑。大沽炮台的陈旧落后，也直接影响了战斗的进行。早在第一次鸦片战争前，驻守虎门的关天培就采用增减木垫的办法调整火炮的射程，可是，大沽炮台连这样的土办法也未采用。固定在炮架上的火炮无法调整射程，结果，敌舰趁落潮时发起进攻，各炮台发射的炮弹便大多成为远弹，不能命中目标。加上仍然采用老式的木制炮架，一旦遭敌火箭攻击，木架着火燃烧，火炮随之浪落地上，无法继续射击。此外，炮台后路部队畏缩不前，有的望风而逃，也加速了炮台的陷落。
四、联军威胁津京，迫签《天津条约》
5月24日，谭廷襄逃回天津，张殿元等各率所部退守天津城外。英法联军炮艇八九艘溯白河而上，于26日驶抵天津城下。不久，四国公使也率主力舰只赶到。侵略者宣称，如清廷不立即派全权代表前往天津谈判，就先取天津，再攻北京。
谭廷襄在大沽炮台失陷后立即声称：“统观事态，细察夷情，有不能战，不易守、而不得不抚者”。当联军兵脂天津城下时，谭更加惊恐万状，认为“时势危急，战守两难”，唯一出路是向侵略者妥协求和。咸丰帝以天津迈近京城，急忙于5月28日派大学士桂良、吏郎尚书花沙纳为钦差大臣，赶赴天津议和。
从6月4日起，桂良等与英、法、美、俄代表进行了多次交涉。在英法代表骄横要挟下，桂良等被迫接受了全部要求，分别于6月26日和27日签订了中英《天津条约》和中法《天津条约》。条约的主要内容是：公使常驻北京；增开牛庄（后改营口）、登州（后改烟台）、台湾（台南）、淡水，潮州（后改汕头）、琼州、汉口、九江、南京、镇江为通商口岸；扩大领事裁判权；对英赔款四百万两，对法赔款二百万两，修改税则等等。条约规定第二年在北京交换批准书。
当桂良等与英、法代表谈判时，美、俄公使扔演“调停者”，的角色，玩弄阴谋诡计，竟抢在英、法之前，诱逼清廷分别于6月13日和18日签订了中俄《天津条约》和中美《天津条约》。在中俄《天津条约》签订以前半个月，黑龙江将军奕山在沙俄武力威胁下，与东西伯利亚总督穆拉维约夫签订了非法的《瑷珲条约》。通过这个条约，沙俄侵吞了中国黑龙江北岸，外兴安岭以南六十多万平方公里的领土。
英法联军第二次北犯（1859年6月）
一、上海修约谈判
《天津条约》签订前后，清廷内部在是否全部接受侵略者的要求方面存在很大分歧。桂良等以英法联军“枪炮迅利”、“直隶库款支绌”、“天津以北，道途平坦，无险可扼”、“国家内匪未净，外患再起，征调既难，军饷不易”等为由，主张迅速订约，以期息兵停战。吏部尚书周祖培等则反对接受侵略者的全部要求，特别不同意外国公使驻京，认为公使“一入京师，则一切政令必多牵制”。咸丰帝一贯害怕外国公使驻京，只是由于侵略者兵真兵天津，京畿难保，为顾眼前利益，才被迫同意订约的。因此，当英法侵略军于1858年7月陆续南撤后，其态度又有改变。他深感大皇帝的尊严受到损害，特别是对外国公使驻京颇感不安，于是，要桂良等利用去上海同英法代表谈判通商章程之机，以全免进口税为交换条件，取治《天津条约》中关于公使驻京、内河通商、内地游历及赔偿军费等条款。10月4日，桂良、花沙纳到达上海，经过多方哀求，额尔金才故作让步姿态，答应英国公使驻于北京以外的地点，但可定期或按公务需要前往北京。于是，桂良等分别于11月8日和24日与英，法代表签订了《通商章程善后条约》。主要内容是：承认鸦片贸易合法化，将鸦片改名“洋药”，一般进出口货物，一律只征5%的关税；洋货运销内地或输出土货，一律只征2.5%的子口税；海关税务邀请外国人“帮办”等等。
二、清廷加强大沽防务
英法联军南撤后，咸丰帝接受惠亲王绵愉等人关于“天津海口一带，急应妥为布置”的建议，谕令以填压太平天国北伐军而得宠的科尔沁亲王僧格林沁会同礼部尚书瑞麟（署理直隶总督）前往天津一带，加强海口防务。僧格林沁率京营及东三省蒙古马队各一部，自通州到达天津后，便会同瑞麟亲往海口查勘，决定加强大沽、双港等地的设防。同时，奏请清廷分别从吉林，黑龙江、绥远、直隶北部和京城抽调兵力前往天津地区，并重新恢复直隶海口水师。到1859年3月，大沽口共有兵丁三千名。僧格林沁等恐新募兵丁“难期得力”，“将京旗京营官兵抽出八百名，拨赴海口，分扎两岸炮台，即于新募兵丁抽出八百名，纺赴双港屯扎”。此外，尚有副都统成保所率的哲里木盟马队五百人驻新城，头等侍卫布尔和德、二等侍卫舒明安所率的昭乌达盟马队五百人驻新河。整个大沽海口地区共有防兵四千人。
经过重建的大沽口炮台，由四座增至六座，每台守兵约四百人。海口南岸炮台三座，高自三丈至五丈不等，北岸炮台二座，一高五丈，一高三丈。各炮台的高度、宽度和厚度均较前有所增加，另在北岸石头缝地方新建高三丈的炮台一座，作为后路策应。六台共安设火炮六十门，其中有一万二千斤大铜炮二门，万斤大铜炮九门，五千斤铜炮二门，西洋铁炮二十三门。所有炮台周围均坚筑堤墙，堤墙之外开挖壕沟，竖立木桩。又在海口排列三道拦河铁链，配置铁戗，安设木栅，连成巨筏，以便拦阻敌舰。僧格林沁督饬各营官兵，“排列队伍，演放炮位，严密设防”。
鉴于距天津三十余里的双港地势较高，河身狭窄，便于拦击敌人，僧格林沁等特在该处沿河两岸设兵营九座，驻兵六千人，修建炮台十三座，安设一万二千斤以下大小铜铁各炮八十一门。对于从大沽至山海关一线众多的海口，也本着“择要分布”的原则，分别在北塘海口，丰润的涧河口、乐亭的清河口和老田沟、昌黎的浪窝口和蒲河口以及山海关内的白塔岭、秦皇岛、小河口等处，部署了相应的兵力。其中北塘有一千六百人，山海关有三千人。另外，天津道府及沿海各县，还招募了团练乡勇共五万余人。
三、英法联军再次北犯
《天津条约）签订后，英、法政府仍不满足于从中国攫取的种种特权，叫嚷“条约中有关商务的条款不能令人满意”，蓄意利用换约的时机，重新挑起战争，向清廷勒索更多的权益。
1858年11月，英国以普鲁斯接替包令为驻华公使。1859年3月，英政府训令他把对华事务管理总部由香港迁往上海，尔后视情况在北京设立使馆，并拒绝清廷可能提出的阻止公使进京换约的任何企图。普鲁斯来华途中，在锡兰（今斯里兰卡）与从中国回国的额尔金共同议定了以一支雄厚的舰队“护送”公使进京的计划。4月26日，普鲁斯抵香港，6月6日到达上海。随后，与法国驻华公使布尔布隆等进行密谋。双方都拒绝同等候在那里的清朝全权大臣桂良、花沙纳会晤，决定再次北犯大沽，“不惜用武力来打开白河的大门，并继续向京城挺进”。美国新任驻华公使华若翰也抉定随同英、法公使北上，进京换约。
6月20日，三国公使到达大沽口外，与17日即已到达的英法联军舰队会合。
英法联军舰队由新任侵华英军海军司令贺布少将率领，共计舰船二十一艘。其中有英国“复仇”号等蒸汽舰七艘、炮艇十艘、运输船二只，载海军陆战队、工兵队一千二百余人，法舰“迪歇拉”号和蒸汽供应船“诺尔扎加拉”号，载海军陆战队约百人。另有“托依旺”号等美国舰艇三艘，随同行动。
6月21日，普鲁斯把打通白河口的任务交给贺布。在此以前，贺布已派人知照清军，要求将安设在海口的铁戗、木筏等尽行撤去。清军未予理睬。联军舰队便连日进行侦察，破障，并抢劫商船、渔船，鸣枪发炮，态意挑衅。
四、清军大沽抗战获胜
早在1859年春，僧格林沁得悉外国公使执意要进京换约的消息后，就向咸丰帝提出了如下防御建议：“倘夷船一二只驶进海口，谨遵训示，由地方官派员迎至拦江沙外，与之理论”；“设三五只以上蜂拥而至，是决裂情形已露，自未便专恃羁糜。……似宜以拦江沙内鸡心滩为限，……设竟闯入鸡心滩，势不得不慑以兵威，只可鼓舞将士，奋力截击，开炮轰打”。咸丰帝基本同意这一建议，令僧格林沁“相机酌办”。不久，僧又提出：大沽海口布置均已周密，公使进京“不特不可令其经由，且不可令其窥伺”。他建议让公使由北塘登岸，从陆路进京。这一建议也得到了咸丰帝的同意。
6月22日，咸丰帝得知英法联军舰船陆续驶抵大沽后，立即谕令僧格林沁严守海口，但“勿遽开枪炮，以顾大局”。同时，令新任直隶总督恒福等照会英、法公使，指定他们由北塘海口登陆，进京换约，不能随带兵船武器，不得多带随从人员。可是，侵略者并不理睬清政府的要求，坚持要以舰队沿白河上驶，武装护送公使进京。他们骄横地声称：“定行接仗，不走北塘”。大沽炮台的防兵在直隶提督史荣椿及大沽协副将龙汝元等督率下，早就不动声色地监视着敌人舰船的动向，“炮台营墙不露一人，各炮门俱有炮帘遮挡，白昼不见旗帜，夜间不闻更鼓”。
6月25日拂晓，贺布率联军舰艇十三艘，从拦江沙内距炮台约十三公里的水域向海口开进，炮艇都停泊在离铁戗不远的水面。海军陆战队已换乘从海湾抢劫来的帆船，待命行动。工兵队被配属到各炮艇上，分别组成特种小队，准备执行射击炮洞的任务。贺布的作战计划是：炮艇冲过横江铁链，在炮台的上方占据一个位置，以便两面夹攻，然后，在舰炮火力掩护下，海军陆战队从正面登陆，迅速夺取炮台。
联军舰队在完成开进任务后，贺布便派英舰“负鼠”号和几艘炮艇强行拆除海口铁戗和木栅，开辟通道。这时，大沽海口两岸的清军怀着愤怒的心情，注视着敌人的行动，并作好了一切战斗准备。下午3时左右，海口第一道障碍物被拆毁，贺布立即令“负鼠”号导航，旗舰“鸟”号及其余舰只随后跟进，向横锁海口的铁链进逼，并发炮轰击两岸炮台。炮台守军忍无可忍，立即开炮还击，由于“围墙深厚，尚足抵御”，且“各炮台口门，适当夷船，与之相对轰击”，守军炮火得以充分发挥威力。史荣椿，龙汝元指挥南北两岸炮台集中火力轰击贺布的旗舰。交战不久，联军旗舰“鸟”号舰长拉桑上尉等多人被打死，贺布也身负重伤，改乘大型汽艇“鸬鹚”号继续指挥战斗。
激战至下午4时，参战的联军舰艇差不多全被击伤。旗舰“鸟”号被击毁，舰上的四十名水手仅一人跳水逃脱。炮艇“茶隼”号和“庇护”号被击沉，“鸬鹚”号等几艘炮艇搁浅，贺布被迫逃到法舰“迪歇拉”号上。这时，史荣椿、龙汝元又指挥炮台守军集中火力轰击搁浅的炮艇，将“鸬鹚”号击毁。守台将士越战越勇，史荣椿、龙汝元等奋不顾身，亲自督战，不幸相继阵亡。