一、聯軍策劃北犯，清廷置若罔聞
英法聯軍佔領廣州後，額爾金、葛羅等又在香港密謀策劃，確定聯軍艦隊先開往上海，威逼清廷簽訂新約；若不能達到目的，便北犯白河口，對清廷直接施加壓力。美、俄公使完全贊同英、法的圖謀。
1858年2月，英、法、美、俄公使分別照會清政府，要求於3月底以前派全權代表到上海舉行談判，否則，即向白河口進發。3月底，侵略者的要求遭到了拒絕，四國公使便決計率領由香港集中到上海的英艦十餘艘、法艦六艘、美艦三艘、俄艦一艘，分批北上。
對於侵略者貪得無厭的野心，清廷缺乏清醒的估計。廣州淪陷後，仍認為英法只是借端要挾，不會繼續入侵，因而命令柏貴「以情理開導」，勸說侵略者退出廣州，然後「相機籌辦」。同時，任命刑部右侍郎黃宗漢為欽差大臣和兩廣總督，由京赴粵，與英法侵略者進行談判。另一方面，咸豐帝接受某些人的建議，要柏貴等借助廣東紳民之力，利用各地團練鄉勇將聯軍逐出省城和內河，「使知眾怒難犯，……不致誅求無厭」１。不久，咸豐帝接到兩江總督何桂清關於英、法、美、俄四公使欲赴天津的奏報。但他仍然置若罔聞，不立即採取對策，直至3月21日，才諭令直隸總督譚廷襄等「於海口各要隘，不動聲色，嚴密防範」２，以防意外。
二、聯軍進逼大沽，清軍倉卒佈防
1858年4月20日，英、法、美、俄四國公使在白河口外會齊，24日即分別照會清政府，要求派全權大臣在北京或天津舉行談判。英、法公使竟限令六日內答覆其要求，否則即採取軍事行動。美、俄公使則打出「調停」的旗號，勸告清廷盡快會談。與此同時，聯軍艦隊陸續駛抵大沽口，隨即進行了進攻大沽炮台的各種準備。他們派出偵察船，探測水深，偵察海口的地形和炮台設施等；派遣偵察人員化裝登岸，偵探清軍部署；派艦艇搶劫民船商船，掠奪財物糧食；在水邊立標打靶，進行臨戰訓練，並對清軍巡洋哨船鳴槍挑釁等等。
大沽口是天津的門戶，近口三十餘里有攔江沙一道，稱為「口外之險」，大船不便航行。海口南北兩岸建有炮台四座（北岸一座，南岸三座），僅有守兵七百人。海口距大沽村五六里，距天津一百八九十里，中間有新城、葛沽，為商船進口後停泊之處。譚廷襄認為，敵軍「長於水，而不長於陸，狡猾性成，未必肯捨長就短」，因而提出了「設防仍以水路為主，兼備炮台後陸路」的方針。１4月19日，譚廷襄與直隸提督張殿元、布政使錢炘和等率兵約八千人，並攜帶神機營大炮，倉促前往大沽口設防。其部署是：譚廷襄率督標各營駐防海神廟（大沽東、西二村之間），張殿元率提標兵一部防守北岸炮台，天津鎮總兵達年率鎮標及提標大沽協兵防守南岸各炮台，錢炘和總辦糧台，清河道崇厚總理營務處。雇募海船、鹽船四十餘隻，於海神廟前搭浮橋一座，便於兩岸聯絡，協同作戰。此外，清廷還調派刑部左侍郎國瑞、護軍統領珠勒亨、副都統富勒敦泰等率京營馬步各隊及火器營、健銳營兵二千餘人，攜炮三十門（內有萬斤大炮數門），趕赴海口，統歸譚廷襄節制。譚便令國瑞率馬隊五百人駐新城以東離海口十五里處；令珠勒亨率馬步兵千餘人、富勒敦泰率火器營五百人守海口北岸及新河，均作為南北兩岸炮台的後路接應。
三、聯軍大沽登陸，清軍抗戰失利
英、法、美、俄公使照會清廷後，咸豐帝令譚廷襄與其談判，要求英、法、美公使返回廣東，聽候黃宗漢辦理，俄使則仍到黑
龍江等處會辦。他把希望寄托在打出「中立」旗號的美、俄公使的「調處」上，企圖以美、俄牽制英、法。經過多次交涉，清廷的希望完全落空，侵略者決心使用武力迫使清廷屈服。
截至5月19日止，陸續駛抵大沽口外的英、法、美等國艦船共約三十艘50000061_0179_0１。當日傍晚，聯軍「斯萊尼」號、「復仇者」號等十六艘艦艇和二十餘隻舢板，載海軍陸戰隊約二千人，駛入攔江沙內，待命行動。美艦和俄艦各一艘相繼跟進，為英法聯軍壯膽助威。
5月20日上午8時，額爾金和葛羅發出最後通牒，要求讓四國公使前往天津，並限令清軍在兩小時內交出大沽炮台，否則武力佔領。在此以前，聯軍擬定了如下攻擊計劃：首先以六艘炮艇分成二隊，同時發炮攻擊南北兩岸炮台；然後，兩支登陸部隊分別向南北兩岸發起攻擊。第一支由四百五十七人（英軍二百八十九、法軍一百六十八）組成，攻取北岸炮台；第二支由七百二十一人（英軍三百七十一、法軍三百五十）組成，攻打南岸炮台。
20日上午10時，聯軍兩隊炮艇開入口內，同時轟擊南北兩岸炮台。當時，北岸炮台由游擊沙春元率部防守；南岸的主炮台由總兵達年和游擊德魁率部防守，左炮台由都司訥勒和等率部防守，右炮台由游擊陳毅等率部防守。四座炮台的防兵已增加到三千人，大炮二百餘門。面對敵人的進攻，各台守兵奮起還擊，擊沉敵舢板四隻，斃敵近百名。法炮艇「霰彈」號遭到重創，艇長被打死，十一人被打傷。與此同時，守軍從海口施放了約五十隻火船、火筏，順流而下。聯軍艦隊立即派小艇將火船、火筏撥開，保護兩隊炮艇繼續轟擊炮台。接著，口外的聯軍旗艦「斯萊尼」號及其它主力艦隻的大口徑火炮也向炮台轟擊。北炮台的三合土頂蓋被
1858年5月，英法聯軍炮擊大沽口炮台
擊毀，南炮台炮牆亦被轟塌，有的火炮被炸壞。守台兵遭敵炮轟擊，傷亡甚眾。11時，聯軍的兩支陸戰隊乘舢板強行登陸，向炮台接近。守軍衝出炮台，與敵展開白刃格鬥。他們的頑強抗戰精神使敵人大為震驚。連目擊此次戰鬥的一個美國人也承認：「中國兵械雖不甚精，而兵弁大都忠勇」。１正當炮台防兵與敵艱苦鏖戰之際，譚廷襄、錢炘和等卻從大沽村乘轎逃跑，致使士氣大挫。當敵陸戰隊進至炮台附近時，後路清軍不僅不及時增援，反而訛傳前軍失利，以致兵勇驚潰。炮台守兵孤軍奮戰，沙春元、陳毅等中彈犧牲，各炮台遂相繼失守，所有火炮、器械，全被敵軍掠獲。聯軍陸戰隊佔領南北兩岸炮台後，其炮艇沿白河駛向東沽，燒燬浮橋，佔領東、西大沽二村。
這次作戰，大沽清軍數倍於敵，但僅僅接戰兩個多小時，四座炮台全部落入敵手。其所以如此，主要是清廷動搖不定，缺乏抗戰決心。當聯軍從上海北上時，咸豐帝一面命令在天津、大沽暗地設防，一面又令譚廷襄等「平心靜氣」地與侵略者「理論」。前線指揮官譚廷襄雖然奉旨設防，但也根本沒有打的決心，戰前既無周密的防禦計劃，戰時又不親臨前線指揮，危急時刻則帶頭逃跑。大沽炮台的陳舊落後，也直接影響了戰鬥的進行。早在第一次鴉片戰爭前，駐守虎門的關天培就採用增減木墊的辦法調整火炮的射程，可是，大沽炮台連這樣的土辦法也未採用。固定在炮架上的火炮無法調整射程，結果，敵艦趁落潮時發起進攻，各炮台發射的炮彈便大多成為遠彈，不能命中目標。加上仍然採用老式的木製炮架，一旦遭敵火箭攻擊，木架著火燃燒，火炮隨之滾落地上，無法繼續射擊。此外，炮台後路部隊畏縮不前，有的望風而逃，也加速了炮台的陷落。
四、聯軍威脅津京，迫簽《天津條約》
5月24日，譚廷襄逃回天津，張殿元等各率所部退守天津城外。英法聯軍炮艇八九艘溯白河而上，於26日駛抵天津城下。不久，四國公使也率主力艦隻趕到。侵略者宣稱，如清廷不立即派全權代表前往天津談判，就先取天津，再攻北京。
譚廷襄在大沽炮台失陷後立即聲稱：「統觀事態，細察夷情，有不能戰、不易守、而不得不撫者」１。當聯軍兵臨天津城下時，譚更加驚恐萬狀，認為「時勢危急，戰守兩難」，唯一出路是向侵略者妥協求和。咸豐帝以天津逼近京城，急忙於5月28日派大學士桂良、吏部尚書花沙納為欽差大臣，趕赴天津議和。
從6月4日起，桂良等與英、法、美、俄代表進行了多次交涉。在英法代表驕橫要挾下，桂良等被迫接受了全部要求，分別於6月26日和27日簽訂了中英《天津條約》和中法《天津條約》。條約的主要內容是：公使常駐北京；增開牛莊（後改營口）、登州（後改煙台）、台灣（台南）、淡水、潮州（後改汕頭）、瓊州、漢口、九江、南京、鎮江為通商口岸；擴大領事裁判權；對英賠款四百萬兩，對法賠款二百萬兩；修改稅則等等。條約規定第二年在北京交換批准書。
當桂良等與英、法代表談判時，美、俄公使扮演「調停者」的角色，玩弄陰謀詭計，竟搶在英、法之前，誘逼清廷分別於6月13日和18日簽訂了中俄《天津條約》和中美《天津條約》。在中俄《天津條約》簽訂以前半個月，黑龍江將軍奕山在沙俄武力威脅下，與東西伯利亞總督穆拉維約夫簽訂了非法的《璦琿條約》。通過這個條約，沙俄侵吞了中國黑龍江北岸、外興安嶺以南六十多萬平方公里的領土。