联军攻占津、京时仍是临时性军事组织，尚未通过各国政府形成统一领导，各国也不时发生一些矛盾。德、英、俄都想夺得联军最高统帅位置。英军统帅西摩尔本来跃跃欲试，但因首战失利，被各国讥为并非帅才。这时德国为在中国获得更大利益，并借口德国公使克林德被清军打死，需派高级军官前往中国，便推出资深的陆军元帅瓦德西候选联军统帅。此时瓦德西已年届68岁，但仍踌躇满志，不甘寂寞。这一意向照会各国后，很快得到多数国家认可。
8月19日瓦德西启程来华，临行之前德皇威廉二世向瓦德西面授机宜：不可急于答应清庭议和，应再施加军事压力，争取在华谋取最大利益，并趁机占领良港烟台。与此同时，德皇再派大型舰只和侵略军随同来华增援。9月18日瓦德西抵香港，21日至上海，27门入天津。瓦德西一到天津便忠实地贯彻德皇意图，协调各军关系，部署指挥各同军队扩大对中国的侵略。
在瓦德西来华之前，联军攻占北京后的进攻目标是京山铁路沿线。6月份联军攻占大沽口后曾向北塘进发，但被北塘守军击退。9月19日俄军和德军以及法军的一个炮队，由俄军统帅阿列克塞耶夫指挥，从天津出发进攻北塘，受到守军的顽强抵抗。这时联军一方面用大炮轰击城池，另一方面威胁李鸿章无议和诚意，李鸿章赶紧下令让北塘守军投降，北塘陷落，继而芦台、唐山失陷。联军再向山海关推进。山海关依山傍海，自古就是东北与中原之间的咽喉要地，再者还有近在咫尺的秦皇岛不冻港，地理位置十分优越，号称“天下第一关”，历代都有重兵把守。此次攻山海关，阿列克塞耶夫又故技重演，边用重炮轰击关隘，边胁迫李鸿章责令山海关守军不得抵抗。9月29日俄军扣押了锦州府知府章樾，逼令他与沙俄签订所谓“免战保民六条”，其主要内容是把山海关及铁路交给沙俄，关外清兵也不得抵抗，并供给俄军粮饷等。
就在这时瓦德西到达天津，他闻知此讯，立即以联军最高统帅的身分命令俄军停止对山海关的进攻与胁迫。因为俄军一旦占领山海关，整个东北便成了俄国的领地，侵占了德国的利益，法国也早有占据山海关，使之成军事基地的图谋。但俄军眼看一块肥肉到嘴，哪肯罢休？10月1日俄军进抵山海关下，不料英军却捷足先登，已经抢先占领了山海关。英国对山海关也早有野心，这次得知俄军和德军一路攻下北塘、芦台、唐山，逼近山海关，于是9月29日西摩尔命停泊在大沽口外的“壁克美”号战舰疾速驶往山海关，并于次日驶抵山海关海域，随即熙力尔将军同副将普尔登陆与山海关守军副都统富顺谈判，令富顺立即交出山海关炮台及车站，否则即行开炮轰击。富顺说，山海关已由锦州知府交给俄国，俄军随即赶到。熙力尔则不顾一切，威逼富顺交出了炮台和车站。尔后俄军急速到达山海关，但见遍插英国旗帜，恼羞成怒，急电塘沽俄军速来增援，英军见此情景也致电大沽口英军求援，俄、英两军箭在弦上，一触即发。
瓦德西得知这一消息，装出一副震怒的样子，但喜在心头。因为此时正好以联军最高统帅的身分阻止俄、英两家火并，而且可以从中坐收渔人之利。经瓦德西的调停，对山海关各国应利益均沾：山海关第一炮台升挂八国国旗，山海关第一要塞司令由英军担任，山海关至塘沽的铁路由俄军管理，第二炮台由德、意两军驻守，第三炮台由法国驻守，第四炮台由英、日两军驻守，第五炮台由俄军驻守，山海关各门也分由各国军队把守。山海关终于被各国瓜分，各国的矛盾也暂时平息下来。当时各国在山海山的驻军总计7000多人。
联军占领山海关后，第二个战略目标便是保定。保定是直隶首府，慈禧西逃后，以荣禄为首的清廷大批官员逃至保定，保定也是直隶义和团的聚集地，尚有一定的军事实力。因而，瓦德西来华后部署的第一仗便是打保定。这一决策立即得到法国的响应，因为保定是法国天主教的活动重地，曾受到义和团的惩治，欲借此报一箭之仇。而俄军对此则持反对态度，因为俄军正忙于进攻、霸占东北三省。不愿再于此投入兵力。
此时，各国增援来华的兵力已达8万余人。计有德军8178人，英军8353人，日军20934人，俄军15570人，美军5608人，法军6575人，意军2541人，奥军494人。另有侵略东北三省的俄军和京、津、直隶以外的各国军队未计算在内。所以八国联军在瓦德西的统帅下，气焰更为嚣张。
10月12日，瓦德西命令德、法、英、意、奥五国军队1万余人，兵分两路向保定进犯。一路由法国旅长白劳德率领5000余人从天津出发，一路由英国陆军中将戛斯里率领5000余人从北京出发。此前，法军骑兵和炮兵已先期于10月13日经霸州、新安攻占了保定，沿路清军闻风丧胆，城池不攻自破。原因是在联军的胁迫下，李鸿章曾两次写信给驻保定的直隶布政使廷雍，严令廷雍不得抵抗联军，退到河间一带去剿杀义和团。廷雍奉命，令提督吕本元率3万清军退至河间，所以联军得以长驱直入。
联军入城时，廷雍卑怯地率众官出城迎接，入城后则盛情款待，唯恐不周，极尽献媚取宠之能事。
法军占领保定后第六天，即10月19日英军戛斯里所率部队抵达保定。他看到处处悬挂法国国旗，不由怒火中烧。次日法国白劳德所率部队也赶到保定。联军在瓜分保定中又激发矛盾，瓦德西再从中调停，下令保定应由法、德、英、意等国分理，平等切割，利益均沾。联军侵占保定后，也进行了大肆烧杀抢掠，奸淫妇女，就连奉献城池的廷雍等官吏也未能幸免。联军将廷雍押解到大街上游街，并割下人头挂在城楼上示众。尔后，又用大炮轰毁城楼以及义和团住过的城隍庙、三圣庵等处进行报复。联军占领保定后，也如法炮制了殖民机构，保定人民陷入水深火热、颠沛流离之中。
占领保定后，瓦德西便策划向山西进攻，以扩大战果进一步向清廷施加压力。11月中旬联军于保定集结完毕，分兵三路进犯山西：南路为法、德联军，由保定南取定州、新乐、正定、获鹿、井陉，而后向山西娘子关方向进攻；中路为德军，西取唐县、曲阳、阜平、龙泉，而后向五台山方向进攻；北路为英、德联军，北攻新城、涞水、易州、紫荆关、广昌，而后向山西灵丘方向进攻。由于清廷议和投降的气氛笼罩全国，各地守军也无心力战，所以联军推进非常迅速。南路联军11月20日进抵获鹿，准备再向井陉进犯。井陉是山西的重要门户，地势险要，尤其以前沿的东天门一处隘口最为险要，历来为兵家必争之地。驻守井陉的是大同总兵刘光才和湖北前来增援的方友升，两军共统兵1万多人。他们在隘口埋设地雷，联军难以进攻。12月10日联军用大炮和机关枪轰击东天门，均被守军击退。次年1月28日联军再次来攻，又被击退。这时，联军胁迫李鸿章令守军交出东天门和井陉，退至山西境内，并谎称如果守军退至山西，联军立即退兵。李鸿章先后六次严令刘、方撤军，虽经反复拖延，最后两军不得已而退入山西境内。刘光才退守固关，方友升退守娘子关。联军直驱井陉以后，又毫无信义分兵进攻娘子关和固关，刘、方两军见大势已去，不战而退。
中路联军经唐县、曲阳、阜平，11月下旬攻至龙泉关一带，一路清军开门迎敌，犒赏酒肉，媚态百出。龙泉关守将秀崑力主抗敌，誓与关隘同在，他说：“有秀崑在，誓不放敌入关！”闻知秀崑抗敌，当地百姓纷纷前采支援。11月21日联军攻龙泉关，因关前埋设地雷，官兵死守，只得退去，见此情景，联军便派汉奸送去一封诱降信，不料诱降信被秀崑撕得粉碎。次年2月21日联军再次来攻，联军以大炮裹关，守军则据险死守。在激战中双方各有死伤，最后守军粮尽弹绝，龙泉关失陷。联军直驱山西五台山一带。
北路联军一路烧杀，经易州抵紫荆关，紫荆关守将升允率军激战两个多小时，最后失守，升允回驻山西平型关，并留军守灵丘、广昌。次年2月下旬联军再次攻广昌一线，守军顽强抗击，双方互有死伤。这时李鸿章电告山西巡抚锡良严令守军弃关退入山西，于是联军占广昌、灵丘。
联军在由保定进攻山西的同时，德、意两军2500多名在德军上校约克的率领下，从北京向宣化、张家口一带进犯。至居庸关，守军马玉崑一部闻风而逃。11月17日进犯宣化，宣化总兵何乘鏊、北口道道员灵椿等不战而降，并向联军奉献白银15000两，皮袄1000件以及牛羊粮米等物，献媚取宠。11月19日联军进犯张家口，逃到这里的马玉崑部又远遁他乡，联军占领张家口后，察哈尔都统奎顺派沈敦和会同地方官与联军和谈，联军以轰毁张家口讹诈，勒索赔款30万两白银，张家口无力支付，最后降到12万两，联军又勒索大量皮张等，方才罢休。但是，即使在这种情况下，人民群众也没有放弃对联军的抗击，德军上校约克就是在占领张家口后，被武装民众击毙的。当时瓦德西正准备亲赴南口，听说约克被击毙，只得龟缩回京。
与此同时，联军对直隶各州进行大肆洗劫，尤其是对义和团活动过的据点烧杀抢掠最为严重。固安、永清、静海、青县、迁安、南皮、盐山等地都有成千上万的民众被杀戮，到处是白骨蔽野、尸浮满河的惨景。然而，面对联军的残酷杀戮，中原大地的中国人民绝不屈服，他们不时趁机严惩杀人恶魔。如天津西南高家村的刘十九，当联军侵犯该村时，他率领义和团和民众2万多人抗击联军，身先士卒，奋力冲杀，虽然义和团和民众牺牲400多人，但联军也被打死100余人。再如，联军曾向保定城西李家庄攻掠，这里的义和团和民众用大刀长矛一举杀死联军40多人。
各处联军凶残野蛮地在中华大地上攻占城池，烧杀抢掠，无恶不作，但也无时不胆颤心惊。在中国人民的顽强抗击面前，联军统帅瓦德西也不得不承认真正瓜分中国是不可能的。他在自己的笔记里这样说：“无论欧美日本各国，均无此脑力与兵力可以统治此天下生灵四分之一。故瓜分之事，实为下策。”英国外交官在议院演讲中也说：“中国此后仍须以华人治华地，凡有意开通中国之人，应须小心谨慎，团匪之事即可取以为鉴。我英亦不能以待印度者待中国也。”被称为“中国通”的赫德也在他的《中国实测论》中不得不肯定义和团的爱国主义精神，并分析了中国暂时失败的原因，预料中国人民必将前仆后继地顽强斗争下去。他说：“义和团之运动，实由其爱国心所发，以强中国，拒外人为目的者也。虽此次初起，无人才，无器械，一败涂地，然其始羽檄一飞，四方响应，非无故也。自今以往，此种精神必更深入人心，弥漫全国。他日必有义和团之子孙，辇格林之炮，肩毛瑟之枪，以行今日义和团未竟之志者。”因而，他主张扶植清政府，以实现对中国的殖民统治，使中国人民永远屈服于欧美。但是，赫德只说对了一半，那就是中国人民果然前仆后继地斗争下去，而不论是企图瓜分中国，还是扶清治华的梦想，都被中国人民的铁拳粉碎了。
