八国联军在廊坊的失败，使侵略者感到恼怒和羞辱。为了向清政府施加更大的压力，又调集了32艘军舰和1万多名陆战部队，在光绪二十六年（公元1900年）五月二十一日从两侧向大沽炮台进攻。尽管守台清军和义和团战士进行了顽强的抵抗，终因寡不敌众，炮台落入了敌军手中。
敌军占领炮台后，在从大沽到天津的铁路沿线张贴告示，声称：如果清军和义和团胆敢阻挡联军前进，定予剿灭。
面对帝国主义的嚣张气焰，慈禧太后决定正式向联军宣战，让义和团和侵略军拼杀。
义和团接到朝廷的命令后，一边派人破坏铁路交通干线，一边迅速向天津集结，怀着对侵略者的深仇大恨，准备同胆敢前来侵犯的敌人决一死战。
五月二十七日，联军以重兵抢先占领了老龙头车站。这里既是通往北京的必经之道，又和海河对岸的紫竹林租界连成一气（海河上架有浮桥，是侵略军同外界联系的要道）。
为了保卫天津，义和团首领曹福田召集部属商议，最后决定：集中力量，强攻侵略军的重要据点——紫竹林租界。
声令下，义和团众从四面八方把紫竹林包围得水泄不通。一时间，枪炮齐鸣，火光冲天，一座座高楼被震得摇摇晃晃，坍塌爆裂之声不时从街心传来。义和团战士奋不顾身，冒着敌人用炮火交织的火网，英勇地冲杀上去。前面的人倒下了，后面的人又跟上来，直逼敌人的阵地。素以洋枪洋炮自诩的侵略者，面临近战，手中的新式武器全都失去了作用。在义和团的大刀面前，一个个丑态百出，狼狈不堪，有的躲在站房里，有的藏到仓库中，手里挥动着白布，跪下乞求投降，生怕义和团会砍掉他们的脑袋。
这次战斗，总共杀死杀伤联军500多名，收复了老龙头车站以北的据点。
这时，静海独流镇的义和团首领张德成，也率领了一支号称“天下第一团”的5000多人的队伍前来助战。为了阻挡敌人的援军，他们商定：由张德成部接替紫竹林的防务，曹福田则率众向老龙头一线集结，约定在三天后的深夜同时发起进攻。
约定的时间到了，张德成挥舞大刀，首先跃出战壕，战士们争先恐后，不一会儿便拥上了浮桥，准备乘势向纵深发展，一举攻入租界的心脏地区。
然而，敌军阵前布满了地雷，阻挡了义和团前进的道路。张德成紧皱眉头，沉思片刻，想出了一个绝妙的办法。他高兴地一拍脑袋，对大家说：“有了！我们就用火牛阵大破敌人的地雷阵。”他命人找来几十头耕牛，在牛尾的尖端绑上一团浸过油脂的棉絮，然后将它们牵到离敌军阵地不远处的隐蔽地方。准备就绪后，张德成昂首挺胸，站立一旁，一声令下，几十个战士同时点燃了油絮，受惊的牛群立即拼命向租界方向狂奔。随着一阵阵地雷爆炸的“轰隆”巨响，义和团员们乘势冲杀过去，消灭了许多敌军，焚毁了一些洋楼，攻占了一些据点。
老百姓看到这样的场景，都乐得手舞足蹈，拍手叫好。为了感谢这些英勇杀敌的壮士，天津市民组成了慰劳队，给他们送来了开水和吃食，还主动为义和团运送伤员和武器装备。
就在张德成攻打租界的同时，曹福田率领的义和团同部分爱国的清军，向老龙头车站发起了进攻。由于他们的英勇奋战，当天下午，车站北面的一些据点全被义和团占领了。直到这时，敌军才认识到义和团是一支不可等闲视之的武装力量。当时，一位外国记者在他采写的新闻中曾感慨万分地说：“义和团作战勇敢，如果不想付出惨重的代价，是根本无法战败他们的！”
然而，就在义和团战士同敌人拼死搏斗、天津保卫战打得热火朝天的时候，帮办北洋军务大臣宋庆，这个反动卖国的刽子手，不但不组织力量攻打侵略军，反而命令清军从背后向义和团发动突然袭击，打死打伤团众2000多人，还抄没了义和团设在天津城里的供应点。
六月十八日，义和团两面受敌，孤军奋战。虽经浴血苦斗，仍然无法挽回危局，只得撤出阵地，眼巴巴地看着敌人占领了天津。
天津陷落后，联军在城内进行了惨无人道的烧杀抢劫，然后向北京进发。
慈禧太后在求和不成的情况下，急忙裹胁光绪皇帝，带领后、妃以及亲信大臣，化装成农民，逃往西安避难。
七月十九日晚上，侵略军闯到北京城下。第二天，中国的部分爱国军队依托城墙，在北京城东面的齐化门（朝阳门）、东直门一线，和日、俄侵略者苦战了一天，杀伤敌人近 500 人。这天下午，英国侵略军从防备空虚的广渠门攻入北京外城，并进入了内城的使馆区。二十一日，北京城里部分军队和义和团仍在继续进行巷战，但已不能阻止北京的陷落。
北京沦陷后，侵略军分区分段占领，全城陷入极度的恐怖之中。联军司令部公开下令，允许官兵大抢、大烧、大杀三天。直至联军撤出北京，这样的暴行一刻也没有停止过。
首先是劫掠，参加的人除了士兵外，还有公使、将军以及平时伪装慈善、满口“上帝保佑”的传教士。劫掠的对象，上至皇宫的奇珍异宝、贵重文物，下至百姓的衣饰杂件、古董玩器，只要是有用的东西，什么都不放过。一个人拿不动，就两个人抬；实在搬不走的，就加以捣毁或放火焚烧。在各国使馆和军营里，抢劫的东西堆积如山，侵略强盗争相进行分赃和买卖赃物。一位曾经参与劫掠的英国外交官不打自招地说：“当时，北京城内简直成了强盗的世界！”
除了抢劫，侵略者还以摧毁拳坛为名，在北京的一些地区放火泄愤。他们像一群疯狂的野兽，不管是衙门、寺院还是民居，只要有义和团众练过拳的地方，都统统放火烧光。
至于杀人，那更是他们的“杰作”。强盗们毁门入室，见人就砍。一次，法国侵略军驱赶避难的群众进入一个死胡同后，在巷口架起机枪扫射，直至全部杀死。
联军攻入庄王府后，放火烧死了来不及逃跑的男女老幼1700多人，制造了震惊中外的暴行。那时，北京城内一片恐怖气氛。只要他们怀疑谁是义和团员，就可以立即举枪射击或挥刀砍死，甚至把躺在床上的幼童用刺刀挑起来，供侵略者开心取乐。法国一个叫贝野罗蒂的随军记者曾经这样写道：“联军像往古的野蛮人一样，贪婪地抢劫，发疯地破坏，兴奋地杀人。在他们狂暴的叫喊声中，撒下的是惨不忍睹的血淋淋的残肢、头颅，壕沟里堆积着腐臭的尸体。”
还有一个外国人记载：“俄国军队表现凶暴残忍”，“在俄国管辖区内作出了最不可以言语形容的暴行，在法国军队占领的地方也是如此”。
强奸妇女的事情，就更是家常便饭了，几乎每时每刻都在发生。那些被他们抓来陪宿的妇女，稍有不从，即遭杀戮，就连豪门贵族的千金小姐、婆姨、少奶也不能幸免。已故大学士倭仁的妻子，年届耄耋，侵略者进府后，对她百般调戏污辱，最后竟丧心病狂地强奸了她，逼得这位老人含恨自杀。还有一些贞烈女子，为了免遭强盗们的蹂躏，只得自杀。当时，北京城内服毒、跳井、悬梁而死的女尸随处可见。
就在这时，为了讨得各帝国主义者的欢心，创造乞和的条件，慈禧太后一连下了几道上谕，要求各地官员全力向义和团进攻，务必斩尽杀绝，以除后患。
七月二十五日，李鸿章受命与美、法、日、俄等11个参与侵略的国家签订了屈辱卖国的《辛丑条约》。条约规定：各国可以在北京通向山海关的沿线和驻京使馆区驻兵；拆毁大沽和津京之间的炮台；禁止人民参加各种反对帝国主义侵略的组织和活动；赔款4.5亿两白银（其中沙俄独占29％），从1902年1月1日算起，分39年还清。加上利息，共9．8亿多两的军费赔款。
从此，帝国主义在中国的领土上取得了驻兵的权利。有了这个方便条件，他们随时可以寻找借口，向中国进攻，把清政府变成洋人的朝廷，让它充当镇压中国人民反帝斗争的工具。
《辛丑条约》的签订，标志着中国已经完全堕入了半封建半殖民地社会的深渊。
