6月18日在第三次御前会议上，载漪提出“请攻使馆”，吏部左侍郎许景澄极力反对，总理衙门大臣联元也表示反对。慈禧则怒斥“许景澄无礼”，依仗权势强行通过了围攻使馆的决策。直隶总督裕禄则沉默不语，他考虑到国际惯例不可围攻使馆，但又慑于慈禧，所以尔后对各国使馆采取了明攻暗保之策。6月19日德国公使克林德乘轿前往总理衙门，载漪命所部神虎营士兵在路上将其击毙，20日又令董福祥的甘军围攻各国公使使馆所在地东交民巷和西什库教堂。由于裕禄对慈禧的阳奉阴违，以及后来慈禧的“转战为和”，所以各国使馆并未受多大的损失，至7月初各国使馆军队死伤不过几十人，其他各国公使并未受到伤害，但手持大刀、长矛、木棍，石块的义和团却损失惨重。
天津保卫战从6月17日大沽口失陷，联军逼近天津即已开始。6月中旬静海县曹福田率领的义和团乾字团2000多人先于张德成进入天津参加保卫战，天津的和来自静海、盐山、庆云等地的义和团都愿接受他的领导。6月18日曹福田率义和团与部分守城清军进攻俄军驻守的老龙头火车站。在义和团的猛攻之下，俄军抵挡不住，挂出了白旗，义和团攻势愈猛，打死打伤俄军500余名。
慈禧“宣战”之后，天津形势更趋紧张，联军数千人从大沽口向天津进发，但在塘沽即遭到义和团的拦截、阻击，直到6月23日才窜入天津，途中已被击毙200多人。天津保卫战在几个战场上展开。6月23日，俄、日联军600多人从紫竹林租界地和军粮城包抄东局子。东局子即天津机械局东局，是清朝在华北最大的兵工厂，有清军坚守，但也是联军重点进攻的目标。当时聂士成部转至此据守，先期到达的文安县王德成率领的义和团也协同作战保卫，联军虽然多次发起强攻，但均被击退。6月27日联军2800多人三面围攻东局子，先用大炮轰击，后又以马队冲锋，清军则在外围敷设地雷拒敌，炸死联军甚多，战斗异常激烈。清武卫前军营官潘金山在右腿被敌人子弹打穿的情况下，仍拼命死守，指挥若定。不料中午时分，联军一发炮弹击中厂内火药库，顿时一片火海，守军只得点燃全厂，冲出重围。联军虽然攻下了东局子，但一无所获，而且被打死上百人。
6月28日张德成率静海县独流镇义和团“天下第一团”5000人来津增援。6月29日马玉崑率清武卫左军，宋庆率清山海关守军继而来援。其时曹福田、张德成正率义和团再次进攻老龙头火车站，双方展开激战，义和团手持大刀长矛冲锋，联军则以洋枪洋炮还击，一批又一批的义和团战士倒在血泊之中，但仍无法占领火车站。7月3日马玉崑的武卫左军配合义和团第三次进攻火车站，清军的武器装备优于义和团，已有一些来福枪。清军与义和团包抄俄军，打死俄军100多人，终于收复了火车站。但经过几次拉锯战，俄军再次占领火车站，直至天津失陷，这里的战斗一直没有停止。
天津保卫战除东局子、火车站激战外，在紫竹林租界地也激烈地展开。天津租界地是鸦片战争以来，帝国主义列强在津的巢穴。清廷向联军“宣战”后，即命天津守军聂士成部向租界地发起进攻，聂士成部和义和团猛攻租界地，恶战十余日，但联军以洋枪洋炮的猛烈炮火还击而使进攻未能奏效。至7月初紫竹林租界地已聚集联军达9200多人，他们以海河和墙子河为屏障，在交通要隘处埋设地雷，使清军和义和团进攻十分困难。从7月2日起，张德成率“天下第一团”从西面进攻租界地，为对付联军在交通要隘埋设的地雷，义和团用几十头牛扫雷，在牛尾上捆上浸了油的棉絮，点燃之后，让几十头牛在联军前沿阵地横冲直撞，扫清了地雷，并引起了洋房着火，义和团见此情景，振臂欢呼，拍手称快，随即发起冲锋，消灭了不少联军。与此同时，聂士成部则由西南发起进攻，他们把两尊快炮架在土墙上向租界地轰击，一直打到租界地腹地，轰毁平顶楼一座，炸死联军数十名，联军则用机关枪还击，义和团和清军前仆后继，一直与侵略军厮杀到深夜。
在攻打租界地的战斗中，义和团的女青年组织“红灯照”也勇敢地投入了战斗。“红灯照”的领导人林黑儿本是河北船户的女儿，因受洋教士的迫害而投入义和团，自称“黄莲圣母”。她率领的都是十七八岁的女子，她们着红衣，提红灯，与义和团相辅而行，共同战斗。“红灯照”约有二三千人，她们每逢参战，都视死如归，表现了巾帼英雄的不凡气概。天津保卫战正值炎热季节，义和团战士们在战斗中大都赤裸上身，汗流浃背，天津人民则男女老少，不分昼夜前往支援，给战士们送得胜饼和绿豆汤，精诚团结，共赴国难，表现出了高度的爱国热情。
7月初，八国联军在天津的部队已达2万多人。7月9日凌晨，联军纠集步兵、马兵和野战炮两个中队，共几千人向义和团与清军大肆反扑，他们首攻方向是西南驻守在南营门和马场道一带的聂士成部，分左右两翼进行包抄，聂士成部在联军的夹击下，力战不支，退至八里台。在八里台的血战中，聂士成身先士卒，双腿受伤仍奋力向前，接着身中数弹，肠子都流了出来，仍顽强指挥战斗。他就义前站立桥上，面无惧色，向众官兵大声疾呼：“此致命遂志之日也，虽及死不得逾此一步！”最后枪弹洞穿全身多处，倒地阵亡，壮烈殉国。聂士成牺牲后，天津保卫战失去总指挥，清军溃退。后来人们为纪念聂士成，把他的阵亡处更名为“聂公桥”。在南营门、八里台激战的同时，联军另一支扑向天津西南的纪家庄，这是义和团韩以礼的驻地，义和团浴血奋战，杀死杀伪不少联军，但纪家庄最终被联军血洗。
7月12日联军再次来援，他们沿海河两岸分头进攻清军和义和团。一路向北进攻城东北角，一路向西经海光寺扑向南门。东北角守军在激战中打死打伤联军150多人，在敌强攻下，宋庆、马玉崑部退至天津北仓。南门守军事先引墙子河水至南门，使南门外一片汪洋，据此殊死守城。联军只得在泥泞中攻城，守军则利用有利地势击毙一批又一批联军，双方激战一整天。14日凌晨联军先头部队在枪炮的掩护下，扒城而入，守军又与联军展开了激烈的巷战，直到当天下午天津失守。张德成在战斗中左臂负伤，率余部从北门撤出天津。
天津失陷后，八国联军烧杀抢掠，奸淫妇女，进行疯狂报复。在南门和东门失守之后，民众拥向北门和西门，人流拥挤，水泄不通，联军将大炮架于城中心的鼓楼之上，对准人群狂轰滥炸，以致尸积如山，血流成河。顿时天津十室九空，残垣断壁，一片荒芜。天津保卫战虽然失败了，但充分显示了天津守军和人民不畏强敌的英雄气概和爱国主义精神。
天津被八国联军占领后，帝国主义列强为维护其统治，在天津成立了殖民政府即所谓“都统衙门”，由联军任总督总揽全权，下设巡捕、发审、财务、粮食等各种管理机构，开始了对天津人民的残酷殖民统治。天津失守的原因，固然由于联军拥有洋枪洋炮，野蛮凶悍，守军武器装备落后，联军军事实力胜过守军。但更重要的原因则是清廷腐败，在抗击联军的战斗中仍不忘剿杀义和团，致使义和团得不到应有的支援，如此残酷的战斗缺乏统一部署和协同作战，焉能取胜？
联军洗劫北京
攻陷天津后，联军稍加休整，即准备进攻北京。此时在天津集结的总兵力为：日军8000人，统帅为山口素臣；俄军4800人，统帅为利涅维奇；英军3000人，统帅为盖斯里；美军2100人，统帅为沙飞，法军800人，统帅为福里；德军200人，奥军58人，意军53人。总计19000多人。天津清军和义和团退守杨村一带，清军除宋庆，马玉崑残部外，袁世觊手下的登州镇总兵夏辛酉所统六营来援，继而，升允、张春发、陈泽霖三军由山西、湖广、两江进驻河西务、落垡一线。
7月27日至8月3日，联军举行三次联席会议，决定8月4日大举进犯北京。4日下午联军从天津出发，日、英、美军13000多人沿北运河西岸向前推进，俄、法等国军队6000多人沿北运河东岸向前推进。8月7日联军攻至杨村，杨村一马平川无险可守，刚一交锋，宋庆、马玉崑部即溃不成军，向通州奔逃。直隶总督裕禄在该部中，逃至杨村北蔡村时仅剩几名随从，联军紧追不舍，裕禄见大势已去，便举起手枪自杀身亡。
这时帮办武卫军务大臣李秉衡率军出京赴前线迎敌。李秉衡原为山东巡抚，山东巨野教案发生后被改授四川总督、巡阅长江水师大臣。联军侵占大沽口后，他应诏赴京御敌。7月26日被任命为帮办武卫军务大臣，地位仅次于军机大臣荣禄。8月6日他率部由北京出发，次日抵北京东南的码头，正遇夏辛酉部，得知北仓已经失守，便进驻河西务迎敌，这时马玉崑部撤退至此，李秉衡令他坚守御敌，并说，军法有进无退，况且我军合并尚有三四万人，应当全力抗敌。马玉崑却不听指挥，闻风向南苑逃去。李秉衡便率本部并张春发、万本华两部于河西务抗击联军。夏辛酉和陈泽霖两部也在码头一带抗击联军，但由于仓促应战，终于力不能支被联军冲垮，四离逃散。8月11日李秉衡退至张家湾，身边只剩几名随从，于是写下遗书，服毒自尽。李秉衡殉国后，8月12日联军攻下通州，13日攻至北京城下。
此时聚集于北京城下的联军，计有：日军步兵6600人，骑兵220人，工兵450人，大炮53尊；俄军步兵1830人，骑兵180人，大炮22尊；英军步兵1600人，水兵150人，骑兵75人，大炮6尊；法军步兵4000人，大炮18尊。北京城内守军，计有：荣禄的武卫中军和董福祥的甘军15000人，神机营、虎神营15000人，宋庆、马玉崑部1000多人，再加上直隶练军和各地的“勤王”军，总计不下8万人。北京城池坚固，本来可以固守，但慈禧此时准备西逃的主意已定，所以清军大部分已无战心，纷纷散去，唯有董福祥部甘军尚有一定战斗力。
8月13日夜至14日凌晨，俄军偷袭东便门，驻守清军董福祥部和义和团顽强抗击，力不能支，退守建国门，于此双方展开激战，俄军以大炮轰城，守军在城墙上居高临下射击，城下遍布俄军尸体，连攻城头目华西里也被击毙。与此同时，日军8000名向朝阳门、东直门发起进攻，英军3000名向广渠门发起进攻。14日下午2时，俄军、日军、英军分别攻破城门，长驱直入，15日至16日联军攻入皇宫紫禁城。守军全部撤出，北京城陷入联军之手。
8月14日，在隆隆的炮声中，慈禧几次召集御前文武大臣商议应急措施，但前来的大臣一次比一次少，最后连军机大臣荣禄也不见踪影了。当天夜里炮声一阵紧过一阵，慈禧失魂落魄，在一片喊杀声中，她套上一件农妇外衣，让李莲英给梳了个汉族式发髻，乘上骡车从北门出宫向德胜门狼狈逃窜而去。跟在后面的只有刚毅、载漪等十几名朝臣和100多名护卫。在逃跑之前，慈禧还不忘把恨之入骨的光绪的珍妃投入宫中井里。
慈禧出逃后，八国联军对北京进行了空前的洗劫，仅在庄王府里就用机关枪杀戮了集中到这里的义和团和平民1700多人，庄王府和端王府都被付之一炬。紫禁城、颐和园、三海和诸王府等处的珍宝几乎被劫掠一空。联军们还如野兽一般，见到妇女即行奸淫，在裱褙胡同一处，许多青年妇女被驱赶至此，分置于各室成了联军的“官妓”，联军随意奸宿，中国妇女备受凌辱。清廷的大小官员逃的逃，未及逃掉的则自杀或被杀。八国联军的滔天罪行，真可谓惨绝人寰，罄竹难书！
联军侵占北京后，即行对北京划分势力范围，进行瓜分。四牌楼以北为日军占领区；永定门以东，北至东珠市为英军占领区；永定门以西，北至骡马市为美军占领区；四牌楼以南由俄、奥、法、意分别占领。在德军入京后，又在俄军占领区旁更辟一德军占领区。而后各国联军要员又组成了“北京管理委员会”进行殖民统治。在帝国主义列强的蹂躏下，北京处处是目不忍睹的惨象。连联军统帅瓦德西也无法回避这一事实，他说：“联军占领北京之后，曾特许军队公开抢劫三日。其后便继以私人抢劫。”“即北京自身，亦因烧抢之劫而大受破坏。失所流离之民，据估计约有三十万人，但实际上似或多于此数；散居于该段之边，大半均在露天之下。”“抢劫时所发生之强奸妇女，残忍行为，随意杀人，无故放火等等，为数极属不少。”这便是瓦德西在《拳乱笔记》中的自供状。
