8月13日，八国联军进抵北京城外，北京城内一片混乱。义和团和部分甘军猛攻东交民巷公使馆，企图拿获各国公使作人质，胁迫各国退兵。各国公使知救兵将至，拼死抵抗。慈禧太后企图利用停火协议保住北京的打算已经落空，准备逃离出京。王公大臣、文武官员、甚至各部院当差人员更是惊慌失措，争相携带家眷财物出京外逃。清政府统治机构完全瘫痪，整个北京混乱不堪。但载漪的神机营和虎神营、董福祥的甘军、荣禄的武卫军以及其他残兵，共4万多人，仍分头防御，坚持守卫京城。
八国联军抵达北京城外的当天，即8月13日，议定15日总攻北京。然而，俄军于当日深夜即首先向北京东便门发起进攻。防守东便门的甘军和义和团顽强抵抗，给俄军以很大杀伤。战至14g，凌晨2点，守军抵敌不住，东便门陷落。紧接着，俄军猛攻建国门，甘军隐蔽在城墙上向敌人猛烈射击，俄军死伤甚多。从午夜2点激战到天明10点，俄军伤亡惨重，却未前进一步。俄军统帅华西里耶夫斯基亲自上阵，督军猛攻，甘军火力猛烈，一枪击中华西里耶夫斯基右胸，将其射成重伤。直至下午2时，俄军在付出重大伤亡后，才攻人建国门内，但仍不断遭到甘军的冷枪射击。
当13日俄军首先进攻后，各国联军也拔队攻城。日军进攻朝阳门和东直门，并动用18门野炮和36门山炮猛烈轰击，甘军顽强阻击，死拼不退。日军组织敢死队，反复冲锋，多次逼近城墙，均被甘军击退。双方战至次日黄昏，甘军无法再战，被迫撤出，日军占领朝阳门。与此同时，英军进攻广渠门，守卫此地的武卫军和八旗军一轰而散，英军兵不血刃，首先攻人京城，并于14日下午挺进到东交民巷，解救了正受围困的各国公使。随后，法、美等国军队也相继攻人城内。甘军、部分清军及义和团和八国联军展开巷战。
8月15日凌晨，慈禧得知八国联军已攻人内城，惊恐万状，急忙携光绪、傅伤等人，在载沣、刚毅和近千名兵勇的护送下，出西直门逃离北京，先到太原，后转至西安。就在慈禧出逃的当天，京城内义和团及清军仍与敌人进行着激烈巷战，拼死守卫皇宫。
8月15日夜，清军的抵抗基本结束，八国联军全面占领北京。
八国联军攻陷北京后，实行野蛮的屠城。联军日夜包围义和团各坛口，遇团民即杀。仅庄王府一处，就屠杀1700多义和团民。法国士兵曾将一群平民逼进一条死胡同，开枪扫射达15分钟之久，直至一人不剩。联军士兵肆意闯入民宅，乱砍乱杀，蹂躏妇女，乃至京城百家之中“所全不过十室”。许多妇女受辱后含恨自尽，自尽的女尸无人解下，“经时即久，项断身落，而头尚悬其上”。原在北京的传教士，这时穿上军装，为联军指点道路，搜索昔日袒护义和团的官家民户，以便联军剿杀。经过联军报复性屠杀，北京“成了真正的坟场”，很多地方尸骨堆集如山，无数家庭“虚无一人，而遗尸未散，蛆出户外。八国联军恨义和团入骨，北京城中凡曾设坛之处，无论府邸、寺庙、民宅，一概举火焚之。经过联军大肆纵火，北京的官邸、府院、寺庙、民宅、城垣、宫苑，都遭到大规模焚烧和破坏，有些甚而瓦砾无存。翰林院被火焚毁，清廷许多部门档案文稿被集中在长安门内付之一炬，黑烟纸灰蔽空迷目，多册《永乐大典》及许多珍贵图书皆被烈火吞没。从地安门以西至西安门以北，“其房屋焚毁无数”，地安门以东到东安门以北，房屋仅存十之二三；前门至东四牌楼以南，更是破壁残垣，满目荒凉。昔日饰满金漆房舍的北京城失去了“数百年来巍奂之美观”，到处“是一片罗列着萧条残物的荒野”。
八国联军侵入北京后，“曾特许军人公开抢劫三日”。于是，侵略者无物不抢，无物不夺。从金银器皿到珠宝古玩，无不成为他们劫掠的对象。在联军的无情劫掠下，宫中财物损失过半，贵重之物无一遗存。三海（北海、中海、南海）、颐和园均遭浩劫，财产损失难以估计。京城内神坛、寺庙、官署及王公府第亦不能幸免。日军仅从户部就劫走白银290多万两，法军从礼王府抢走白银200多万两，北京天文台10件古代天文仪器被德、法两国瓜分。据不完全统计，官府各库银款损失约计6000万两左右。联军士兵还以搜查义和团为名，携带洋枪，三五成群地闯人民宅，挨家挨户进行搜刮和抢劫。各国外交官、传教士及侨民也趁火打劫，大肆剽掠。
经过如此浩劫，中国“自元明以来之积蓄，上自典章文物，下至国宝奇珍，扫地遂尽”，所失“数万万不止”。
八国联军除了烧杀抢掠之外，还纷纷划定区域，实行分区占领。北京外城被德、美、英三国占据，内城则由日、德、俄、美、英、法、意等国瓜分。“各国所管之界，均用各国旗帜以分别。”随后，八国联军成立“北京管理委员会”，对北京实行军事殖民统治。
自立军起义
义和团运动兴起后，慈禧太后专权，排斥光绪，拟借义和团报复勒逼自己归政光绪之各国列强。以唐才常为首的国内部分保皇党人认为勤王时机已到，加紧组织勤王武装，拟相机行事。
唐才常，字佛尘，湖南浏阳人。出身于封建士大夫家庭，1898年戊戌维新期间，在湖南参加变法运动，广泛宣传资产阶级民权思想及君主立宪制度，与谭嗣同齐名，时称“浏阳双杰”。他曾应谭嗣同之邀赴京，准备参与新政，行至汉口，慈禧已发动政变，囚光绪帝，杀谭嗣同等六君子。他悲愤至极，决心“树大节，倡大难，行大改革”，推翻以慈禧为首的顽固派政权，拥立光绪帝复辟，恢复变法新政。为此赶赴上海，后辗转至香港、新加坡和日本，在日本与康有为、孙中山取得联系。当时康有为正大力提倡保皇，鼓动起兵勤王。孙中山也密谋发动反清武装起义。保皇党和革命派都把唐才常看作在国内组织武装起义的倚重人物。康有为给他3万元活动经费，并表示愿以募集到的30万元继续支持。
唐才常为广泛联络保皇党人，以便组织勤王，于1900年2月在上海英租界成立了正气会，3月更名自立会，主旨是救亡图存，抵抗外侮，保国忠君，武装起事。义和团运动轰轰烈烈发展起来后，唐才常决定乘机起兵勤王。
由于唐才常与保皇派和革命派都保持密切联系，受到双方的影响，思想上经常呈现自相矛盾的状态：既有反满倾向，却又主张保皇；既对义和团运动持否定态度，又认为机不可失，试图利用义和团造成的动荡局面发动武装起义。唐才常依靠的武装力量是长江中下游地区的会党组织和新军中下级军官及士兵。为便于联络各地会党和新军官兵，唐才常采取了秘密结社中传统的建山堂、发票布的办法。自立会会员称“会友”，每人发“富有票”一张，上书救国保民的政治宗旨，作为会员凭证。自立会建立富有山堂，设有正龙头、副龙头、内八堂、外八堂等名目，体系庞大。许多省份会党头目均名列其中，唐才常也被列为副龙头。
在筹建勤王军队过程中，唐才常一方面接受康、梁等人的指导，另一方面又遥奉孙中山为“极峰”，在两派中左右逢源，“各方咸为之用”。经过上述努力，唐才常领导的武装力量发展十分迅猛。到1900年6、7月间，人数已达10万多人，遍布鄂、皖、赣、湘各省的会党组织及新军中。
7月26日，唐才常以保国保种为号召，邀集容闳、严复、章太炎、文廷式等社会名流与正气会员在上海张园召开会议，号称“国会”，后改为“中国议会”。容闳被推为议长，严复为副议长，唐才常任总干事，总会设在上海。国会宣布三项宗旨：
（1）保全中国自立之权，创造新自立国；
（2）不认满清政府有统治中国之权；
（3）请光绪皇帝复辟。
唐才常召开国会，旨在借重社会名流的声望以资号召，并使武装勤王取得合法地位。但会上争吵激烈，在依靠哪一派政治力量保全中国的策略问题上分歧很大。有人主张迎光绪南下，有人主张排满不迎。就迎光绪南下问题，有人主张借重张之洞、李鸿章等地方督抚；有人主张依恃日本和英、美等列强。只有在反对慈禧太后和义和团这一点上，众人的意见是一致的。那些社会名流旨在发扬清议，依靠张之洞等地方实力派保护中国东南，没有与清廷决裂的勇气和决心；唐才常等人则十分痛恨后党顽固派，坚决主张勤王起事。由于几派意见始终无法统一，唐才常等人毅然决定在正气会内恢复自立会名目，并于8月2日以“总会理事员”名义宣布篆刻关防，组成自立军，任命自立军统带，并挟国会以自重，作为起事以后立国建制的雏形和统率自立军的最高机构。国会名义上是自立军的领导机关，但实际上自立军领导权仍掌握在唐才常手中。
就在唐才常等人在上海活动之际，发动自立军起事的骨干林圭、傅慈祥等人也在武汉加紧武装起事的准备，并于汉口英租界李慎德堂设立自立军机关总部，将各地自立军勤王武装分为中、前、后、左、右各军及总会亲军、先锋营，共7军，兵力约2万人。中军为自立军本部，设在武汉，由林圭、傅慈祥统领；前军在安徽大通，由秦力山、吴禄贞指挥；后军在安徽安庆，由田邦睿负责；左军在湖南常德，陈犹龙统之；右军在湖北新堤（洪湖县城关），由沈荩统率；总会亲军和先锋营在武汉，由唐才常亲自指挥，唐并负责节制诸军。