一、英法聯軍的組成
為了擴大侵華戰爭，英國巴麥尊內閣於1857年3月強行通過了一項增加軍費和增援遠東英軍的提案。4月20日，巴麥尊任命原駐加拿大總督額爾金及其弟普魯斯為正副全權專使，率特別外交使團來華。同時，從本土和毛里求斯、新加坡、印度等地共抽兵二千九百餘人，組成遠征軍（以阿希伯納姆為遠征軍海軍司令），開赴中國。英國還照會法、美、俄等國，約其聯合出兵。
當時，法國正在加緊侵略越南。法皇拿破侖第三等認為，和英國聯合侵華，既可以換取英國對其侵略越南的贊同，又可以在中國撈到好處，因而欣然接受了英國政府的邀約。接著，法國政府以所謂「馬神甫事件」１為借口，打著「為保衛聖教而戰」的旗號，任命葛羅男爵為特命全權專使，率領一支法國遠征軍開赴中國，並訓令其遠東印度支那艦隊司令裡戈·德熱努依裡海軍少將率艦隊配合葛羅的行動。
美國本想通過侵略戰爭擴大其在華特權，獵取包大的利益，但由於其南部和西南部正在開展廢除奴隸制的鬥爭，國內政局不穩，因此在接到英國的照會後，表示美國的全權代表願意與英法代表一致行動，但不直接出兵。
沙俄趁英國挑起新的侵華戰爭之機，進一步加緊其侵佔中國北方領土的罪惡活動，同時，派海軍上將普提雅廷出使中國，以幫助清廷鎮壓太平軍為誘餌，要求割讓黑龍江以北烏蘇里江以東和中國西部的大片領土。交涉失敗後，普提雅廷悻悻而去，逕赴中國南方，與英法代表合謀侵華。
1857年7月初，英國特使額爾金抵達香港。他的主要使命是：迫使清政府賠款和「在廣州以及其它口岸完全履行幾個條約的條款」，並同意英國公使駐京及修改各種條約等。英國外交大臣克拉蘭敦給他的訓令稱：如果清廷拒絕英國的要求，就立即使用武力，採取以下一項或幾項行動，即：封鎖白河；佔領揚子江口大運河的入口處；佔領舟山群島；封鎖芝罘和其它中國口岸；切斷大運河通過黃河的出入口；在廣州上游登陸，佔領城垣上方的高地，並切斷其供應；在廣州城的上方安置一支部隊。１額爾金遵照英政府的訓令，與包令、西馬糜各厘等進行了謀劃。包令等一致主張首先給廣州以打擊，迫使葉名琛屈服，從而消除同清廷談判的困難。額爾金接受了包令等人的建議，決計先犯廣州，取得討價還價的條件，再向中國勒索。但因印度的人民起義（1857—1859年）正在蓬勃發展，額爾金於7月16日親率其遠征軍一部趕赴印度（9月下旬才返回香港），因此，進犯廣州的計劃未能立即實行。
10月中旬，法國特使葛羅抵達香港。英法特使及雙方海軍司令等經多次協商，確定英法組成聯軍，採取一致行動，首先攻佔廣州，爾後北上白河。10月底，美國新任駐華公使列衛廉到達香港，與英法公使會晤。11月初，沙俄公使普提雅廷也由天津竄到香港，正式加入了以英國為首的侵華集團，為英法武裝侵略中國出謀劃策。
12月上旬，英法侵略者拼湊了一支由五千六百餘人組成的侵華聯軍（其中法軍一千人），集結於香港、澳門地區，加緊進行戰爭準備。
二、英法聯軍陷廣州
在清廷「息兵為要」的方針指導下，葉名琛不僅不加強廣州的防務，反而大肆裁撤團練兵勇。廣州人民燒燬十三洋行商館之後，葉名琛竟下令把所有團練鄉勇趕出省城，原陸續聚集於廣州周圍的三萬餘兵勇，凡非堅守要隘者，全部被裁；陸路壯勇原約一萬餘人，被裁撤十分之幾，所存者不及二千人。廣東內河水師戰船大部損失，非但不予添造，反而大加裁撤。虎門要塞被英軍破壞的幾座炮台，既不修整，也不重調水師駐守。直至獲悉英國遠征軍開抵香港時，他才倉卒抽調部分兵力在珠江水路要隘佈防，並派八旗兵防守廣州城及城北炮台。
1857年12月12日，英、法公使分別向葉名琛發出最後通牒，要求入城、修約和賠款，並限十日內答覆。對於英法等國相互勾結以及迫在眉睫的戰爭形勢，葉名琛仍然茫無所知。他認為英國孤立，為法、美所不齒，並輕信謠傳，說什麼英國女王已命令其在華官員力求與中國「好釋嫌疑，以圖永久相安，毋得任仗威力，恃強行事。……斷不准妄動干戈」，認定英國不會再行開戰。１盡避英法公使已發出最後通牒，葉名琛依然不做任何戰守準備。
在英、法公使發出最後通牒的同時，英法聯軍艦隊便從香港出發，進犯虎門。因未遭廣東水師的任何攔阻，故得以迅速突入珠江內河，兵臨廣州城下。12月15日，數十艘敵艦集結於珠江主航道上，集中艦炮火力轟擊與廣州城隔江相望的河南地方。接著，敵海軍陸戰隊登陸，順利地佔領了該地，為攻打廣州城奪得了立足點。
20日，聯軍艦隊進泊廣州五仙門外的珠江水面。額爾金和葛羅分乘炮艇從香港趕到。次日，他們與兩國海軍司令在法規上召開作戰會議，決定於24日正午再次照會葉名琛等，限其在四十八小時內交出廣州城，並將軍隊全部撤到城外三十華里的地方，否則武力攻齲
與此同時，英法侵略者完成了攻擊廣州的作戰計劃。計劃規定：
1.27日至28日夜間，聯軍工兵連和爆破連登陸並佔領二沙尾島靠航道的登陸點。
2.28日拂曉開始，聯軍艦隊的一百二十門大口徑炮同時向城牆開火，在西南角、東南角和正南三處打開缺口，並以持續而緩慢的射擊壓制守城清軍。
3.28日晨，海軍陸戰隊登陸，分三路進攻廣州城。中路由斯特羅本澤少將指揮英軍和一部分法國水兵，主攻東固炮台，佔領後派出雲梯隊乘夜抵近城牆，架設雲梯；左路由裡戈·德熱努依裡海軍少將指揮法軍，阻擊從東門和郊區增援的清軍；右路由西馬糜各厘海軍上將指揮英國水兵，阻擊從城北各炮台支援的清軍。
4.29日晨，全部大炮集中轟擊城牆，摧毀城上的工事，爾後攻城。
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在英法聯軍兵臨城下的威脅面前，葉名琛對戰守問題仍漠然置之。26日，其部屬紛紛建議添調兵勇，加強廣州防務，他卻以敵軍不過是恐嚇逼和為由，拒不採納。番禺縣令李星衢、南海縣令華廷傑請求招募兩縣鄉勇數千人，防備突然事變，葉竟說什麼「誰添兵，誰給餉」。廣州紳民有的自告奮勇，願意自備糧餉軍械，守城殺敵，葉名琛一概不准。27日晚，聯軍工兵連、爆破連佔領二沙尾，攻城跡像已十分明顯。就在這時，葉名琛卻要全城文武官員到督署為他祝壽。他迷信扶乩，宣稱乩語告知，十五日（12月30日）後便可無事。
12月28日晨6時起，三十二艘聯軍艦艇（英二十五艘、法七艘）的一百餘門大口徑火炮同時炮擊廣州城。葉名琛逃至內城粵華書院。清軍亂成一團。廣州城內大火熊熊，督署也成為一片廢墟。
炮擊開始後不久，英法聯軍約四千人，分別從二沙尾以及獵德炮台與東固炮台之間登陸。中路約二千人進攻東固炮台。駐防廣州東門外的清軍千總鄧安邦率東莞勇一千人奮勇抵禦。他們士氣高昂，分散隱蔽於竹林和灌木叢中或墳墓後面，以各種火器打擊敵人。防守東固炮台（有炮三十一門）的約七十名清軍，在東莞勇的配合下，也發炮轟擊登陸的聯軍。鄧安邦統一指揮東莞勇與炮台守兵，同超過自己一倍的敵軍鏖戰大半日，最後在彈藥耗盡和得不到外援的情況下，才被迫於日暮時放棄東固炮台。當晚，聯軍以艦炮及東固炮台的大炮繼續轟擊廣州城。
29日晨6時，佔領城東一帶的聯軍在炮火掩護下，向城東北運動。防守城北五座炮台的總指揮、乍浦副都統來存率旗兵一部，堅守四方炮台。聯軍「冒死撲台，為長蛇陣直進，將近二千人」。１守台兵居高臨下，發炮抵禦，斃傷不少敵軍。聯軍進攻炮台受挫，便轉而攻城。斯特羅本澤指揮中路英軍第59團，成散兵隊形攻擊小北門；西馬縻各厘指揮右路英軍水兵攻擊大北門；裡戈·德熱努依裡指揮左路法軍攻擊東門。廣州守軍依托城上工事阻擊敵人。不久，聯軍中路主力攻入小北門。守城清軍紛紛潰散，致使敵軍迅速佔領了觀音山，控制了城內的制高點。接著，聯軍右路和左路部隊相繼攻佔了大北門和東門。城牆上的清軍退入城內，與敵展開巷戰。下午2時以後，全城戰鬥停息。30日，廣東巡撫柏貴和廣州將軍穆克德訥在廣州西北城牆上豎白旗投降，在侵略軍的威逼下，強令撤出城內兵勇。
1858年1月5日，葉名琛為聯軍所俘，被押往印度加爾各答，次年在囚禁中斃命。這是他堅決執行清廷「息兵為要」方針的可恥下常聯軍佔領廣州後，組成以巴夏禮為首的「聯軍委員會」，投降賣國的柏貴等在侵略者的監督下繼續「任職」，為敵效勞。這是中國近代史上由外國侵略者用大炮製造的第一個地方傀儡政權。
三、廣東軍民繼續打擊敵人
在英法聯軍的蹂躪下，廣州遭到了空前的浩劫。侵略軍燒殺擄掠等暴行，激起了廣東軍民的英勇反抗。具有抵抗外來侵略傳統的三元裡一帶群眾，重建和擴大了原來的社學組織，募勇團練，並聯絡南海、番禺兩縣人民，在佛山鎮成立團練總局，集義勇數萬，堅壁清野，與侵略軍展開針鋒相對的鬥爭。東莞、花縣、順德等縣人民，也紛紛組織團練武裝打擊侵略者。廣州城外軍民實行秘密分散的游擊戰，每於夜間以壯勇數百人，分路潛至城下，鳴鑼吶喊，向城內施放火箭，驚擾和打擊敵人。城內市民則經常三五成群地埋伏在侵略者出入之處，出其不意地襲殺敵人。1858年2月18日，佛山團練武裝數萬人，決定反攻廣州，被柏貴破壞。但愛國軍民的反抗怒火是撲不滅的，伏擊和襲擾敵軍的行動接連不斷。6月3日，侵略軍千餘人分兩路進攻廣州城外的團勇：一路進攻駐榕樹頭的東莞勇；一路進攻駐三寶墟的新安勇。東莞勇在鄧安邦率領下奮力迎戰，斃敵軍官一人，迫使敵軍逃竄。新安勇與敵軍激戰數小時，斃傷敵軍百餘人。隨後，東莞軍民向侵略者發出挑戰書：「我東莞勇，現駐榕樹頭，爾外人敢到此與我打仗，定殺爾片甲不回。」１6月6日，巴夏禮親率英軍千餘前往，結果遭到伏擊，死傷甚眾，巴夏禮也幾乎被俘。侵略軍膽戰心驚，龜縮城內，不敢輕易再出。佛山團練總局還發動香港大罷工，號召在香港、麥高（澳門）等處為外國人教書、辦理文案以及雇工雜役人員，概行辭職回家，使洋人各項經濟活動陷於停頓。香港同胞還以極其秘密巧妙的方法劫殺英人，使其不得安寧。