1860年8月31日，桂良到达天津。英、法公使提出必须全盘接受1858年的《天津条约》，增加赔款。增辟天津为通商口岸等先决条件，方可议和。桂良等被迫答应全部要求，从9月2日起，与英、法代表巴夏礼等举行会谈。侵略者提出停战的主要条件是：赔偿军费，先付给两国现款各三四百万两，撤走通州守军，以便两国公使各带兵千人进京换约，并由巴夏礼随带数十人先行入京，察看沿途及京中住房，增辟天津为通商口岸，立即开市贸易等。咸丰帝感到停战条件过于苛刻，认为公使进京。拥兵而来，显怀莫测”，因而谕令桂良等“莫顾决裂”，拒绝侵略者所提无理要求。9月7日，朱谕军机处和王大臣绵愉，载垣、端华、肃顺等，表示要与英法“决战”，并提出决战时机“宜早不宜迟”，“趁秋冬之令，用我所长，制彼所短”。同时，令军机大臣等迅速调兵前赴通州，“以资攻剿”。
英法侵略者由于所求不遂，便中断谈判，决计进犯北京。9月10日，联率先头部队三千余人，自天津向通州方向前进。在此之前，咸丰帝得悉英、法公使坚欲带兵径赴通州的消息，“决战"的决心又开始动摇，急派怡亲王载垣，兵部尚书穆荫取代桂良等为钦差大臣，由通州前往天津，与侵略者继续谈判，企图挽回“抚局”。载垣、穆荫接连照会英、法公使，先则要求联军退回天津，然后进行谈判，继则请求侵略者止于河西务，在通州进行会谈。额尔金等考虑剃联军进军北京，需补充大量军需物资，因此，表示愿意在通州举行会谈，以便争取肘间，进行作战准备。9月14日，联军先头部队抵河西务，着手筹建兵站。与此同时，额尔金派巴夏礼等到达涵州。谈判中，巴夏礼除坚持原先提出的条件外，又增加了瓦换和约时须面见皇帝亲递国书，以及将张家湾的清军全部撤退等苛刻要求，以致通州谈判于17日彻底破裂。9月18日，咸丰帝再次下谕与侵略军决战，并令恒福等“广集民团，多方激励”，“一闻张家湾开仗，即令津郡民团截其后路，痛加剿洗”。
（二）张家湾、八里桥之战
9月18日，联军先头部队自河西务越过马头，推进到张家湾附近。僧格林沁得悉通州谈判破裂，便按照载垣等的通知，将巴夏礼等一行三十九人扣押送京，并严阵以待，准备迎击敌人的进攻。
当时，清军在通州一带的部署是：僧格林沁的督师行营设在通州与张家湾之间的郭家坟，由他统率的马步兵一万七千人，驻扎于张家湾至八里桥一线，扼守赴通州及京师广渠门（今建国门）的大道，其中驻张家湾的兵力仅有步队千人。副都统格绷额督带马队三千人驻于张家湾的东面和南面。署直隶提督成保率绿营兵四千人防守通州。原驻防逊州的礼部尚书瑞麟所统京营万人及副都统伊勒东阿督带的马步队四千人防守八里桥，作为僧军的后援。僧格林沁还派副都统克兴阿统带祭哈尔马队一千人，防守张家湾西南的马驹桥；又令总管那马善统带察哈尔马队一千人，防守马驹桥东南的采育，以防敌军从马头直接西进，绕道趋京。总计通州地区的防军达三万余人。另外，副都统胜保率京营五千驻齐化门（今朝阳门）以东的定福庄，以便声援僧、瑞两军，保卫京师。
18日中午，联军向张家湾阵地发起攻击。僧格林沁挥军抵抗，给敌以重大杀伤。当调派马队抄袭敌平时，联军炮队突然发射火箭数百枚，以致“马匹惊骇，回头奔驰，冲动步队”，清军阵势顿时混乱，马步兵自相践踏，纷纷溃退。僧格林沁率所部退守八里桥，驻防通州的绿营兵也慌忙随僧军撤走。联军占领张家湾，并乘胜追击，一举占领郭家坟和通州城。
21日凌晨4时，联军从郭家坟一带向八里桥推进，骑兵在前面探路。八里桥位于北京城东二十余里，是由通州入京的咽喉之地。清军利用八里桥周围的灌木丛林，临时构筑了战壕和土垒。自张家湾一带撤退的僧军与从通州撤退的绿营兵抵达后，总兵力达三万人，其中马队近万人。上午7时，联军分东、西、南三路对八里桥清军阵地发起攻击。东路为雅曼指挥的法军第1旅；西路为格兰特直接指挥的英军，南路为科林诺指挥的法军第2旅，担负主攻八里桥的任务。由于此次作战以法军为主，故由孟托班担任总指挥。
战前（9月19日），清廷曾告谕僧格林沁等：“拿获奸细，据供，逆夷用兵，马队在前，步卒在后，临阵则马队分张两翼，步卒分三层前进。前层踞地，中层微俯，后层屹立，前层先行开枪，中层继之，后层又继之。我军若迎头轰击，马匹一经受伤，必然惊溃，惟有斜抄横击，轰毙必多等语。夷情凶悍，深知兵法，是在该大臣等审度形势，妥筹应敌，以操必胜之权。……若仅用正兵与之相角，恐夷人诡谲，不足以尽其变。”清廷还一再强调必须派出马步劲旅，绕至敌后，于夜间轮番出击，使其自相惊扰，进退两难。但是，僧格林沁等未予重视。
为对付联军的攻击，僧格林沁和瑞麟商定，令马队首先出击，尔后以由定福庄移至八里桥的胜保所部迎击南路联军，瑞麟部迎击东路联军，僧部迎击西路联甲。所有步队均隐蔽在灌木林中和战壕里，待机杀敌，马队则向联军的左翼到右翼的宽大正面实施反冲锋。战斗打响后，清军马队立即冲向前去。他们奋不顾身，齐声大呼杀敌，用长矛和弓箭迎击敌人，企图冲乱和割裂敌人的战斗队形。一部分骑兵冲至离敌人四五十米的地方，有的冲到敌军指挥部附近。激战一时许，毙伤敌军干余人。但是，清军马队因遭到据壕作战的联军步兵密集火力的阻击和敌炮霰弹的轰击而大量伤亡，被迫退却。随后，南路的法军第2旅将大量炮弹倾泻在八里桥上，使胜保部遭到重大伤亡。当法军第2旅的两个前卫连冲到桥边时，守卫石桥的清军与敌军展开肉搏战。后因胜保中弹受伤，遂率军退至定福庄。法军追至，胜保又率军逃往北京。在胜保部与南路敌人战斗的同时，僧格林沁指挥马队穿插于敌人的南路与西路之间，企图分割敌人，尔后以步队配合胜保部包围南路之敌。由于胜保所部败退，僧格林沁的企图来能实现，遂与西路之英军展开激战，双方伤亡甚众。上午9时，英军分兵一部向于家卫（今于家围）进攻，企图抄袭僧军后路。僧格林沁甚为惊恐，便“于酣战之际，自乘骡车，撤队而逃”，以致军心动摇，纷纷退至齐化门以东的皇木厂。迎击东路敌军的瑞麟部则“于未阵之前，先已溃散”，致使法军第1旅颠利地占领八里桥以东的几个村庄，并协同法军第2旅攻占八里矫。瑞麟郎也逃至皇木厂，与僧部会合，后又一齐退至齐化门。中午时分，联军停止前进，迅速占领八里桥附近的咸户庄（今咸宁侯庄），三间房、于家卫一带地方。
张家湾、八里桥之战，是关系到北京安危的关键性一战。英法联军由海口孤军深入，战线拉长，兵力相对分散，粮弹供应困难，加之人地生疏，又失去了舰炮优势，存在许多不利因素。清军在兵力上占有较大优势，且地形熟悉，通州平原地带便于马队驰骋冲杀，同时，又有大量人民群众和团练乡勇积极开展敌后活动，具有战胜敌人的有利条件。但战斗的结果，却是清军节节败退，溃不成军。究其原因，首先是由于清廷的和战不定。从天津陷落到八里桥之战，咸丰帝忽而主和，忽而主战，时而不准清军“衅自我开”，时而又要清军“相机进剿”，朝令夕改，出尔反尔，使得前线将领无所适从，严重影响其抗战的决心和战备。其次，在兵力部署和作战指挥上存在不少失误。僧格林沁把马步一万余人分散配置在从张家湾到八里桥纵深约二十里的大道两侧，前沿阵地的兵力异常单薄，又没有控制必要的预备队。因此，当联军向张家湾发起进攻时，该处没有足够的兵力迎战，以致一开始就处于不利态势。当马队遭到联军炮火袭击而冲乱步队时，又没有采取严厉措施，制止溃乱，稳住阵脚。在八里桥战斗中，没有集中兵力先打对八里桥威胁最大的南路敌人，又不汲取新河作战的教训，仍令骑兵从正面冲击敌人，而不采取向敌后侧击的战法，都是很不恰当的。此外，僧格林沁在战况紧急、军心动摇的情况下，不是坚定沉着，督队奋战，反而随军溃退，直至率先逃跑。瑞麟拥兵近万，竟也不战而逃。所有这些，都必然导致战斗的迅速失败。
（三）联军侵入北京
张家湾、八里桥败北的消息传到北京，清廷极为震惊。咸丰帝立即撤去载垣，穆荫钦差大臣的职务，以其六弟恭亲王奕为钦差便宜行事全权大臣，留守北京，“督办和局”，拜谕僧格林沁竖立白旗，知照英、法“停兵待抚”，自己却于9月22日带着皇妃等逃奔热河。
奕是个“畏夷如虎”的软骨头，他认为形势危殆，战守两难，如“尚有一线可为，不惜委屈迁就”，就是说，除了屈膝求和，别无它路了。他照会英、法公使，要求停战谈判。联军经张家湾、八里桥战斗，伤亡很大，部队疲惫，兵员粮弹均需补充，因此同意恢复谈判，借以做好进攻北京的准备。谈判近半个月，并无结果。联军却争取了休整时间，然后开始了向北京城的进攻。10月5日，其先头部队向城北安定门、德胜门附近逼进。6日，联军近千人抄至德胜门土城外。僧、瑞两部已成惊弓之鸟，“马队则望影而逃，步队亦闻风而窜，以致逆夷如入无人之境”。坐镇圆明园的奕、桂良等急忙逃往常新店（今长辛店）。联军接着由黄寺、黑寺直趋西北，进攻圆明园。僧、瑞两部向京城西南溃逃，守园的步军统领中营官兵约二千人也逃散一塞。侵略军进入圆明园后，大肆抢劫珍贵文物和金银珠宝，并放火焚烧殿宇及附近民房。
北京是金、元、明、清四朝的都城，经过历朝特别是明，清两朝的不断修建，已成为一座坚城。当时城上安设大小火炮数千门，外城、内城均挖有较为宽深的护城河。城内尚有八旗骁骑营、护军营、左右两翼前锋茸、步军营、内火器营等满汉军十三万三千余人，仓谷钱粮均有储积。城外又有由胜保统率的各省已经赶来的勤王之师六千五百余人及都统绵勋、伊勒东阿统带的马步万余人。同时，内地诸省的勤王之师，还在陆续赶来。尽管事先缺乏防御准备，但只要文武大员具有誓死坚守的决心，认真筹划战守之策，激扬士气，稳定人心，是可以据城一战的。侵略军指挥官孟托班也承认：“对这样的城市进行围困，特别是在全然没有攻城大炮的情况下，就很可能旷日持久。”无奈留守京城的大臣们均以为“城不可守”，完全丧失了抵抗的信心，根本不进行抗击准备。于是英法侵略者乘战胜之余威，照会清廷，限令于10月13日中午将安定门交给联军把守，否则即行攻城。城内的清廷大臣们不敢违抗，如期开门揖盗。英法联军遂不折一矢，不损一兵，安然进入北京外城。
（四）《北京条约》的签订
英法联军进入北京外城后，随即于安定门城墙上安设大炮，对准内城、紫禁城。10月17日，英、法公使再次照会清廷，要求于23日签字换约，并借口俘虏问题，要求赔偿英国白银三十万两，法国二十万两，限期付款。奕全部予以答应。10月18日，联军再次闯进圆明园，在洗劫一空之后，为销毁罪证，竟把这座世界闻名的壮丽宫苑放火烧毁，各种精美建筑和无数珍贵文物化为灰烬。其后，侵略军又劫掠了万寿山，玉泉山、香山等处的大量金银珠宝与历史文物，并焚烧了许多著名建筑物。
侵略军的残暴罪行，激起了北京人民的无比愤慨，他们纷纷拿起武器抗击敌人。一次，英军一百多人骚扰西郊谢庄。当地群众在猎户冯三保率领下，拿起简陋的武器，坚守石寨、土堡，连续两次打败侵略军的进犯。联军出动五六百人，企图报复。当敌人接近谢庄时，冯三保的女儿冯婉贞率领埋伏在离村四里处的青少年猎手，“挟刃奋起”，与敌人近战搏斗。侵略军猝不及防，纷纷败退。
与人民的英勇抗战相反，清廷完全屈服于英、法侵略者的武力威慑，于10月24日和25日，分别与英、法侵略者签订了中英《北京条约》和中法《北京条约》。中英、中法《天津条约》批准书亦同时互换。中英、中法《北京条约》的主要内容有：（1）承认《天津条约》完全有效；（2）辟天津为商埠；（3）准许外国侵略者在中国拐骗、贩卖人口出洋做苦工；（4）割让九龙司为英国殖民地；（5）交还以前没收的天主教堂，并听任法国传教士在内地各省租买土地，建筑教堂；（6）赔偿英，法的军费各增加到八百万两。10月28日，咸丰帝批准《北京条约》。英、法侵略者从中国攫取了更多的殖民特权后，便于11月9日先后将军队撤出北京，结束了第二次鸦片战争。
英、法威逼清廷签订新约之后，沙俄公使再次借口“说合”有功，逼迫清廷于11月14日与之签订了中俄《北京条约》，不仅迫使清政府承认了《瑷珲条约》的内容，而且把上述条约规定的由中俄“共管”的乌苏里江以东约四十万平方公里的中国领土一口吞掉，并强行规定中俄西段边界的走向，把中国的内湖斋桑湖和特穆尔图淖尔（今苏联伊塞克湖）硬指为界湖，为进一步侵吞我国西部领土制造“根据”。此外，还强迫清廷开放喀什噶尔（今新疆喀什市）为商埠，准许俄商于中国的库论（今蒙古乌兰巴托）、张家口等地进行免税贸易。
美国公使因国内爆发南北战争，当联军在北塘登陆时，应召回国，未及趁火打劫。但事后借口“利益均沾”条款，照样掠取了许多新的殖民特权。
