当战斗激烈进行之际，美国远东舰队司令达底拿乘快艇前往战区，看望受伤的贺布。在返回停泊水域时，遭到清军炮火的袭击，达底拿幸免于死，但陪同他的美国旗舰“托依旺”号的副舰长被打伤，舵手被打死。他目睹英法联军的惨败情景，认为贺布“已经无法逃脱并退出这场绝望的战斗了”，遂派“托依旺”号从集结地域开进战区，去拖曳搁浅的炮艇，以便让英国舰艇重新投入战斗。他还命令美国水兵登上英国炮艇，参加作战，从而彻底撕下了“调停人”的假面具。
下午5时，贺布仍不认输，下达了登陆作战的命令。英军勒蒙上校率联军陆战队千余人，分乘帆船，舢板二十余只，由美舰“托依旺”号和联军的两艘炮艇拖曳，至海口铁戗以外不远的水面集结，尔后在舰炮掩护下，向海口南岸强行登陆，企图先夺取南岸的三座炮台。南岸炮台外为一片泥泞地，并有三道水壕。侵略军登岸后，一方面遭到炮台炮火的杀伤，一方面要在没膝的泥泞中艰难地匍匐爬行，处境甚为狼狈。这时，僧格林沁立即调集火器营等的抬枪队和鸟枪队前往攻击，北岸炮台也发炮支援。联军登陆部队死伤枕藉，不得不停止前进，潜伏于沟壕中和土堆后面。黄昏时分，侵略军利用夜暗“伏地抢进”，炮台守军施放火弹、喷筒，借着亮光瞄准射击，杀伤敌人。联军陆战队只有少数人爬到了炮台下面的第一道壕边，但由于步枪已塞满泥浆，几乎都不能使用，运来的便桥又太短，无法架设，云梯也大都折断，无法攀登。守军集中火力向隐蔽在壕沟边的敌军射击，终于迫使其向海口撤退。直至半夜，联军陆战队余部才陆续爬上舰艇，撤出战场。
激战一昼夜，联军遭到惨败，不得不再次南撤。此次参战的十三艘英军舰艇中，有六艘丧失了战斗力，有四艘被击毁或击沉。参战英军约一千二百人，死伤五百七十八人。参战法军约六十人，死伤十四人。联军惨败的原因，客观上由于兵力不足（其参战兵力仅及清军的四分之一），但主要是由于骄横轻敌，情况不明。贺布错误地估计形势，以为仍象上年一样，大沾海口设防简陋，清军斗志不高，不足为惧。联军发起攻击前，虽然进行了侦察，但因清军隐蔽良好，无法窥探虚实。在情况不明及骄傲情绪支配下，贺布制定的作战计划，必然带有很大的盲目性，以致水陆攻击均未得逞，夺取炮台的尝试终以彻底失败而告终。
清军在这次抗击作战中仅伤亡三十二人，大沾炮台只遭到轻度破坏。这是自第一次鸦片战争以来，中国军队抵抗外国侵略军所取得的最大的一次胜利。这次胜利表明，尽管清军军事技术落后，战斗力不强，但在保国御侮的激励下，广大士兵和下层官弁还是能够勇敢抗战的，只要指挥得当，预有准备，是能够打败装备有洋枪洋炮的外国侵略者的。此次获胜的原因，还由于清政府接受了上次大沽作战失利的教训，在英法联军南撇之后，一面与之谈判，一面加强了战备，特别是改善了大沽海口的设防。此外，统筹津沽军务的僧格林沁亲临前线，史荣椿、龙汝元等将领沉着应战，待敌舰接近后，突然开火，集中轰击联军旗舰，使敌指挥失灵，南北炮台守军主动协同配合，打击登陆之敌；人民群众积极支援，等等，对于保障这次作战胜利，也部起了重要的作用。
英法联军第三次北犯（1860年4月～11月）
一、英法扩大侵略，清廷疏于戒备
联军惨败的消息传到伦敦，英国资产阶级立即叫嚷要对中国实行“大规模的报复”。伦敦《每日电讯》报公开扬言：“大不列颠应攻打中国沿海各地，占领京城，将皇帝逐出皇宫”，“应该教训中国人重视英国人，英国人高出于中国人之上，应成为中国人的主人”。还声称在夺取北京之后，要永远占领广州，把它变为英国在远尔的商业中心，以便“奠定新领地的基础”。1859年9月，英政府举行了四次紧急内阁会议，在巴麦尊的策划下，决定再次扩大侵华战争。同伦敦一样，巴黎也煽起了新的战争狂热。虽然英、法两国曾因意大利问题等弄得关系紧张，而且两国在扩大侵华后究竟打到何等程度，各出多少军队等问题上也一度分歧很大，但经过协商，最终还是达成了协议，决定继续联合侵华。
1859年11月，英，法两国政府分别再次任命额尔金、葛罗为特命全权代表，并分别以陆军中将格兰特，陆军中将孟托班为英、法远征军总司令，组成一支新的侵华联军。其中英军约一万八千人，法军约七千人。
1860年春，格兰特、孟托班分别率英，法舰队驶达上海集结，随后即开始第三次北犯。4月21日，联军占领舟山。5月27日，英军占领大连湾，6月8日，法军占领烟台，完成了对渤海湾的封锁。此后，联军即以大连湾和烟台两处作为进攻大沽口的前进基地。
关于联军的战略企图，英国陆军大臣赫伯特曾于1859年11月26日训令格兰特，为了使英国在中国的通商口岸的商业利益不致受到影响，这衣军事行动应尽量局限于清廷，英国远征军可以从北直隶湾和白河登陆，如攻占海口炮台后仍不能使清廷屈服，则沿白河进攻至天津，有可能强迫中国皇帝妥协。法国政府对葛罗也发出了类似训令，要求法国远征军“在白河进行登陆，然后再向天津进军，并在那里巩固自己的阵地”。英法两国再次扩大侵华战争，并非要推翻清王朝的统治，相反，它们都害怕太平天国革命的发展导致清王朝的覆灭。它们的目的是迫使清廷“赔礼道歉”，互换和履行《天津条约》，并勒索更多的战争赔款。
1860年7月9日和11日，额尔金和葛罗分别乘军舰抵达大连湾和烟台。美使华若翰和新任俄使伊格纳切夫也随同北上，再一次打出“调停者”的旗号，企图从中渔利。7月19日，英、法公使和两国侵华陆海军司令等在法旗舰上召开作战会议，根据贺布的建议和俄使伊格纳切夫提供的关于北塘毫无戒备的情报，决定从北塘登陆，并决定两国舰队于7月28日在北塘河左岸入口处宜于停泊的地方集结，经过现地侦察，再决定登陆和入侵的方式。7月26日，英、法舰队于渤海湾会齐后，向北塘方向开进。英军出动各种舰船一百七十三艘，兵力一万零五百人。其中有装备精良的骑兵一千人和炮兵两个中队。法军有舰船三十三艘，兵力六千三百人。29日，联军舰队在大沽口与北塘口之间距海岸约十三公里的海面集结，并完成了对北塘海口的侦察以及登陆地点的选择。
从清军大沽获胜到联军第三次北犯渤海湾，有近一年的时间，清廷既不了解英法侵略者的动向，也不认真加强防务，只顾致力于镇压太平天国革命运动（当时正是太平军二破清军江南大营前后）。在英法联军已经封锁渤海湾的严峻形势下，咸丰帝仍认为海口布置周密，联军上年进攻受创，“未必不心存畏忌”，此衣再来，“实则以兵胁和”而已。因此，谕令僧格林沁，恒福等，“总须以抚局为要”，“不可因海口设防严密，仍存先战后和之意”，以免“虽图快于目前，而贻患于将来”。这既表明他对海口设防盲目乐观，也表明他把对付外敌侵略的侧重点放在“抚”上，而不是立足于“战”。僧洛林沁在取得大沽反击作战胜利后，同样产生了骄傲轻敌情绪、他认为侵略军遭此挫败，“非处万全，必不肯轻动”，“即使该夷舍命报复，现在营垒培厚加高，密布大炮，各营官兵无不奋勇，足资抵御”。为了让英、法等国公使从北塘登陆进京，他竟撤掉北塘的守备，专守大沽口。熟悉北塘一带地形的山西道监察御史陈鸿翊认为，英法联军如从北塘登陆，必北阻驻营城（北塘河北三十余里）之清军，南攻大沽北炮台后路。他向咸丰帝建议：调回从北塘撤走的部队和大饱，并将驻营城的油军移驻北塘，严为防守。山东道监察御史林寿图也指出，“北塘弛防非计，宜层层设伏，以策万全”。然而，僧格林沁等一意孤行，拒不恢复北塘设防，这就为侵略军的登陆作战造成了可乘之隙。
二、联军北塘登陆，大沽天津陷落
1860年8月1日，格兰特和孟托班率联军舰艇三十余艘、陆战队五千人，驶抵北塘口，趁该处守备空虚，顺利登陆，并占领北塘镇。接着，后续部队相继登陆。驻守大沽口的僧格林沁，没有及时抽兵反击，仅严“饬派马队遥为屯扎”，且“不得先行迎击”，以致坐失战机。北塘被占，咸丰帝感到事态严重，急令恒福妥善筹办和议。8月7日，恒福照会英、法公使，要求约定时间地点举行谈判。额尔金、葛罗复照拒绝，并无理要求清军交出大沽炮台。
8月12日拂晓，联军万余人从北塘出发，中途分左、右两翼，向新河一带前进。上午9时，驻守新河的清军马队二千人，主动向联军出击，企图分割敌军右翼部队，并将其驱往新河东北的沼泽地带，尔后加以歼灭。联军集中炮火轰击清军马队，并派出陆战队七百人迎战。清军马队见联军出战的兵力不多，便冒着敌人炮火继续冲锋。联军随即变换队形，以步兵合围清军马队，而以骑兵为预备队。清军马队陷入重围，战不多久，便伤亡近四百人，只得突围。联军骑兵立即追击，在大部歼灭清军马队之后，乘胜占领了新河。
8月14日凌晨4时，联军由新河向塘沽逼进。塘沽与大沽相距八里，仅一河之隔，是大沽口北岸炮台侧后的重要屏障。清军在塘沽筑有周长近四里的围墙，墙高七米，上面开有枪眼、炮洞。当时，塘沽由副都统克兴阿、侍郎文祥等率部驻守，连同从新河撤来的马队，总兵力约三千人。凌晨6时，联军进抵塘沽近郊，停泊在白河上的水师战船立即开炮拒敌。双方炮战半小时，清军水师战船被迫撤走。7时半，联军炮轰塘沽，随后在炮火掩护下，发起总攻。塘沽守军发炮还击，奋力抵抗。双方激战两小时，守军伤亡很大。9时半，联军分兵一部泗水从苇塘迂回到塘沽侧后，守军腹背受敌，力不能支，退至大沽北岸炮台，塘沽遂为联军攻占。至此，大沽口北岸炮台的侧后完全暴露在敌军面前。
联军攻占新河、塘沽后，其舰队便榘结于大沽海口，准备与逼近大沽北岸炮台的陆战队水陆协同，夺占大沽。此时，清统治者已丧失了保卫海口的信心。僧烙林沁声称。能否扼守，实无把握”。咸丰帝非但不严令他坚守大沽炮台，反而说什么“天下根本，不在海口，实在京师。若稍有挫失，总须带兵退守津郡，设法迎头自北而南载剿，万不可寄身命于炮台”，公然要僧格林沁放弃大沽海口，保命逃跑。他还相继谕令恒福等照会英、法公使，要求息兵议和，并告以清廷已派使臣前来迎接公使，“进京换约，以期永敦和好”，但遭到侵略者的拒绝。
8月21日清晨5时，联军集中所有野战炮和舰炮火力，猛烈轰击大沽北岸炮台。北岸炮台总指挥乐善（新任直隶提督）督率炮台守军开炮拒敌。由于各炮台的弹药库陆续中弹起火，守军炮火逐渐稀疏下来。上午8时以后，炮战停止，联军万余人分为二支（左翼为英军、右翼为法军），向石头缝炮台发起冲锋，乐善督率守军用鸟枪、拾枪和长矛、弓箭等奋勇杀敌。9时许，由于炮台被炸，乐善阵亡，守军大部牺牲，石头缝炮台陷落。其它两座炮台的守军也。以难以描述的勇猛精神，寸土必争地进行防御”，抗击敌之进攻，直至炮台陷落为止。这次战斗，清军损失近千人；联军也付出了巨大代价，死伤四百余人（法军二百人、英军二百余人）。
僧格林沁见北岸炮台失守，认为南岸炮台“万难守御”，便按咸丰帝的旨意，于当晚尽撤南岸守军，向天津退却。恒福随即在南岸炮台挂超免战白旗，把三座炮台拱手交给了侵略军。
联军控制大沽炮台后，便由贺布率炮艇五艘，海军陆战队八十余人为先头部队，溯白河长驱直入。这时，逃到天津的僧格林沁又以必须与敌军“野战”，而不能“株守营垒”为借口，命令双港及天津一蒂防军一律撤退，加上从大沽地区撤由的清军，总计一万七千余人（其中马队七千、步队万余），退至通州（今北京通县）一带。
由于天津地区完全撤防，白河两岸亦无清军阻击，贺布率领的五艘炮艇于8月24日顺利驶达天津城郊。接着，联军后续部队陆续抵达，不费一枪一弹即占领了天津城。
三、联军侵入北京，迫签《北京条约》
（一）外交谈判的破裂
联军侵占大沽炮台后，咸丰帝极度惊恐，急派大学士桂良为钦差大臣，赶赴天津，会同直隶总督恒福（亦授予钦差大臣头街）向英法侵略者乞和。