一、上海修約談判
《天津條約》簽訂前後，清廷內部在是否全部接受侵略者的要求方面存在很大分歧。桂良等以英法聯軍「槍炮迅利」、「直隸庫款支絀」、「天津以北，道途平坦，無險可扼」、「國家內匪未淨，外患再起，徵調既難，軍餉不易」１等為由，主張迅速訂約，以期息兵停戰。吏部尚書周祖培等則反對接受侵略者的全部要求，特別不同意外國公使駐京，認為公使「一入京師，則一切政令必多牽制」。２咸豐帝一貫害怕外國公使駐京，只是由於侵略者兵臨天津，京畿難保，為顧眼前利益，才被迫同意訂約的。因此，當英法侵略軍於1858年7月陸續南撤後，其態度又有改變。他深感大皇帝的尊嚴受到損害，特別是對外國公使駐京頗感不安，於是，要桂良等利用去上海同英法代表談判通商章程之機，以全免進口稅為交換條件，取消《天津條約》中關於公使駐京、內河通商、內地遊歷及賠償軍費等條款。10月4日，桂良、花沙納到達上海，經過多方哀求，額爾金才故作讓步姿態，答應英國公使駐於北京以外的地點，但可定期或按公務需要前往北京。於是，桂良等分別於11月8日和24日與英、法代表簽訂了《通商章程善後條約》。主要內容是：承認鴉片貿易合法化，將鴉片改名「洋藥」；一般進出口貨物，一律只征5％的關稅；洋貨運銷內地或輸出土貨，一律只征2.5％的子口稅；海關稅務邀請外國人「幫辦」等等。
二、清廷加強大沽防務
英法聯軍南撤後，咸豐帝接受惠親王綿愉等人關於「天津海口一帶，急應妥為佈置」的建議，諭令以鎮壓太平天國北伐軍而得寵的科爾沁親王僧格林沁會同禮部尚書瑞麟（署理直隸總督）前往天津一帶，加強海口防務。僧格林沁率京營及東三省蒙古馬隊各一部，自通州到達天津後，便會同瑞麟親往海口查勘，決定加強大沽、雙港等地的設防。同時，奏請清廷分別從吉林、黑龍江、綏遠、直隸北部和京城抽調兵力前往天津地區，並重新恢復直隸海口水師１。到1859年3月，大沽口共有兵丁三千名。僧格林沁等恐新募兵棟難期得力」，「將京旗京營官兵抽出八百名，撥赴海口，分扎兩岸炮台，即於新募兵丁抽出八百名，飭赴雙港屯紮」。２此外，尚有副都統成保所率的哲裡木盟馬隊五百人駐新城；頭等侍衛布爾和德、二等侍衛舒明安所率的昭烏達盟馬隊五百人駐新河。整個大沽海口地區共有防兵四千人。
經過重建的大沽口炮台，由四座增至六座，每台守兵約四百人。海口南岸炮台三座，高自三丈至五丈不等；北岸炮台二座，一高五丈，一高三丈。各炮台的高度、寬度和厚度均較前有所增加。另在北岸石頭縫地方新建高三丈的炮台一座，作為後路策應。六台共安設火炮六十門，其中有一萬二千斤大銅炮二門、萬斤大銅炮九門、五千斤銅炮二門、西洋鐵炮二十三門。所有炮台周圍均堅築堤牆，堤牆之外開挖壕溝，豎立木樁。又在海口排列三道攔河鐵鏈，配置鐵戧，安設木柵，連成巨筏，以便攔阻敵艦。僧格林沁督飭各營官兵，「排列隊伍，演放炮位，嚴密設防」。３
鑒於距天津三十餘里的雙港地勢較高，河身狹窄，便於攔擊敵人，僧格林沁等特在該處沿河兩岸設兵營九座，駐兵六千人，修建炮台十三座，安設一萬二千斤以下大小銅鐵各炮八十一門。對於從大沽至山海關一線眾多的海口，也本著「擇要分佈」的原則，分別在北塘海口、豐潤的澗河口、樂亭的清河口和老田溝、昌黎的浪窩口和蒲河口以及山海關內的白塔嶺、秦皇島、小河口等處，部署了相應的兵力。其中北塘有一千六百人，山海關有三千人。另外，天津道府及沿海各縣，還招募了團練鄉勇共五萬餘人。
三、英法聯軍再次北犯
《天津條約》簽訂後，英、法政府仍不滿足於從中國攫取的種種特權，叫嚷「條約中有關商務的條款不能令人滿意」，蓄意利用換約的時機，重新挑起戰爭，向清廷勒索更多的權益。
1858年11月，英國以普魯斯接替包令為駐華公使。1859年3月，英政府訓令他把對華事務管理總部由香港遷往上海，爾後視情況在北京設立使館，並拒絕清廷可能提出的阻止公使進京換約的任何企圖。普魯斯來華途中，在錫蘭（今斯里蘭卡）與從中國回國的額爾金共同議定了以一支雄厚的艦隊「護送」公使進京的計劃。4月26日，普魯斯抵香港，6月6日到達上海。隨後，與法國駐華公使布爾布隆等進行密謀。雙方都拒絕同等候在那裡的清朝全權大臣桂良、花沙納會晤，決定再次北犯大沽，「不惜用武力來打開白河的大門，並繼續向京城挺進」。１美國新任駐華公使華若翰也決定隨同英、法公使北上，進京換約。
6月20日，三國公使到達大沽口外，與17日即已到達的英法聯軍艦隊會合。
英法聯軍艦隊由新任侵華英軍海軍司令賀布少將率領，共計艦船二十一艘。其中有英國「復仇」號等蒸汽艦七艘、炮艇十艘、運輸船二隻，載海軍陸戰隊、工兵隊一千二百餘人，法艦「迪歇拉」號和蒸汽供應船「諾爾扎加拉」號，載海軍陸戰隊約百人。另有「托依旺」號等美國艦艇三艘，隨同行動。
6月21日，普魯斯把打通白河口的任務交給賀布。在此以前，賀布已派人知照清軍，要求將安設在海口的鐵戧、木筏等盡行撤去。清軍未予理睬。聯軍艦隊便連日進行偵察、破障，並搶劫商船、漁船，鳴槍發炮，恣意挑釁。
四、清軍大沽抗戰獲勝
早在1859年春，僧格林沁得悉外國公使執意要進京換約的消息後，就向咸豐帝提出了如下防禦建議：「倘夷船一二隻駛進海口，謹遵訓示１，由地方官派員迎至攔江沙外，與之理論」；「設三五隻以上蜂擁而至，是決裂情形已露，自未便專恃羈縻。……似宜以攔江沙內雞心灘為限，……設竟闖入雞心灘，勢不得不懾以兵威，只可鼓舞將士，奮力截擊，開炮轟打」。２咸豐帝基本同意這一建議，令僧格林沁「相機酌辦」。不久，僧又提出：大沽海口佈置均已周密，公使進京「不特不可令其經由，且不可令其窺伺」。３他建議讓公使由北塘登岸，從陸路進京。這一建議也得到了咸豐帝的同意。
6月22日，咸豐帝得知英法聯軍艦船陸續駛抵大沽後，立即諭令僧格林沁嚴守海口，但「勿遽開槍炮，以顧大局」。同時，令新任直隸總管恆福等照會英、法公使，指定他們由北塘海口登陸，進京換約，不能隨帶兵船武器，不得多帶隨從人員。可是，侵略者並不理睬清政府的要求，堅持要以艦隊沿白河上駛，武裝護送公使進京。他們驕橫地聲稱：「定行接仗，不走北塘」１。大沽炮台的防兵在直隸提督史榮椿及大沽協副將龍汝元等督率下，早就不動聲色地監視著敵人艦船的動向，「炮台營牆不露一人，各炮門俱有炮簾遮擋，白晝不見旗幟，夜間不聞更鼓」。２
6月25日拂曉，賀布率聯軍艦艇十三艘，從攔江沙內距炮台約十三公里的水域向海口開進，炮艇都停泊在離鐵戧不遠的水面。海軍陸戰隊已換乘從海灣搶劫來的帆船，待命行動。工兵隊被配屬到各炮艇上，分別組成特種小隊，準備執行射擊炮洞的任務。賀布的作戰計劃是：炮艇衝過橫江鐵鏈，在炮台的上方佔據一個位置，以便兩面夾攻；然後，在艦炮火力掩護下，海軍陸戰隊從正面登陸，迅速奪取炮台。３
聯軍艦隊在完成開進任務後，賀布便派英艦「負鼠」號和幾艘炮艇強行拆除海口鐵戧和木柵，開闢通道。這時，大沽海口兩岸的清軍懷著憤怒的心情，注視著敵人的行動，並作好了一切戰鬥準備。下午3時左右，海口第一道障礙物被拆毀，賀布立即令
「負鼠」號導航，旗艦「鸻鳥」號及其餘艦隻隨後跟進，向橫鎖海口的鐵鏈進逼，並發炮轟擊兩岸炮台。炮台守軍忍無可忍，立即開炮還擊，由於「圍牆深厚，尚足抵禦」，且「各炮台口門，適當夷船，與之相對轟擊」１，守軍炮火得以充分發揮威力。史榮椿、龍汝元指揮南北兩岸炮台集中火力轟擊賀布的旗艦。交戰不久，聯軍旗艦「鸻鳥」號艦長拉桑上尉等多人被打死，賀布也身負重傷，改乘大型汽艇「鸕茲」號繼續指揮戰鬥。
激戰至下午4時，參戰的聯軍艦艇差不多全被擊傷。旗艦「鸻鳥」號被擊毀，艦上的四十名水手僅一人跳水逃脫。炮艇「茶隼」號和「庇護」號被擊沉，「鸕茲」號等幾艘炮艇擱淺，賀布被迫逃到法艦「迪歇拉」號上。這時，史榮椿、龍汝元又指揮炮台守軍集中火力轟擊擱淺的炮艇，將「鸕茲」號擊毀。守台將士越戰越勇，史榮椿、龍汝元等奮不顧身，親自督戰，不幸相繼陣亡。
當戰鬥激烈進行之際，美國遠東艦隊司令達底拿乘快艇前往戰區，看望受傷的賀布。在返回停泊水域時，遭到清軍炮火的襲擊，達底拿倖免於死，但陪同他的美國旗艦「托依旺」號的副艦長被打傷，舵手被打死。他目睹英法聯軍的慘敗情景，認為賀布「已經無法逃脫並退出這場絕望的戰鬥了」２，遂派「托依旺」號從集結地域開進戰區，去拖曳擱淺的炮艇，以便讓英國艦艇重新投入戰鬥。他還命令美國水兵登上英國炮艇，參加作戰，從而徹底撕下了「調停人」的假面具。
下午5時，賀布仍不認輸，下達了登陸作戰的命令。英軍勒蒙上校率聯軍陸戰隊千餘人，分乘帆船、舢板二十餘隻，由美艦「托依旺」號和聯軍的兩艘炮艇拖曳，至海口鐵戧以外不遠的水面集結，爾後在艦炮掩護下，向海口南岸強行登陸，企圖先奪取南岸的三座炮台。南岸炮台外為一片泥濘地，並有三道水壕。侵略軍登岸後，一方面遭到炮台炮火的殺傷，一方面要在沒膝的泥濘中艱難地匍匐爬廳，處境甚為狼狽。這時，僧格林沁立即調集火器營等的抬槍隊和鳥槍隊前往攻擊，北岸炮台也發炮支援。聯軍登陸部隊死傷枕藉，不得不停止前進，潛伏於溝壕中和土堆後面。黃昏時分，侵略軍利用夜暗「伏地搶進」，炮台守軍施放火彈、噴筒，藉著亮光瞄準射擊，殺傷敵人。聯軍陸戰隊只有少數人爬到了炮台下面的第一道壕邊，但由於步槍已塞滿泥漿，幾乎都不能使用，運來的便橋又太短，無法架設，雲梯也大都折斷，無法攀登。守軍集中火力向隱蔽在壕溝邊的敵軍射擊，終於迫使其向海口撤退。直至半夜，聯軍陸戰隊餘部才陸續爬上艦艇，撤出戰常
激戰一晝夜，聯軍遭到慘敗，不得不再次南撤。此次參戰的十三艘英軍艦艇中，有六艘喪失了戰鬥力，有四艘被擊毀或擊沉。參戰英軍約一千二百人，死傷五百七十八人。參戰法軍約六十人，
1859年，英法聯軍再次進攻大沽，被守軍擊敗。圖為大沽炮台
死傷十四人。聯軍慘敗的原因，客觀上由於兵力不足（其參戰兵力僅及清軍的四分之一），但主要是由於驕橫輕敵，情況不明。賀布錯誤地估計形勢，以為仍像上年一樣，大沽海口設防簡陋，清軍鬥志不高，不足為懼。聯軍發起攻擊前，雖然進行了偵察，但因清軍隱蔽良好，無法窺探虛實。在情況不明及驕傲情緒支配下，賀布制定的作戰計劃，必然帶有很大的盲目性，以致水陸攻擊均未得逞，奪取炮台的嘗試終以徹底失敗而告終。
清軍在這次抗擊作戰中僅傷亡三十二人，大沽炮台只遭到輕度破壞。這是自第一次鴉片戰爭以來，中國軍隊抵抗外國侵略軍所取得的最大的一次勝利。這次勝利表明，盡避清軍軍事技術落後，戰鬥力不強，但在保國禦侮的激勵下，廣大士兵和下層官弁還是能夠勇敢抗戰的，只要指揮得當，預有準備，是能夠打敗裝備有洋槍洋炮的外國侵略者的。此次獲勝的原因，還由於清政府接受了上次大沽作戰失利的教訓，在英法聯軍南撤之後，一面與之談判，一面加強了戰備，特別是改善了大沽海口的設防。此外，統籌津沽軍務的僧格林沁親臨前線；史榮椿、龍汝元等將領沉著應戰，待敵艦接近後，突然開火，集中轟擊聯軍旗艦，使敵指揮失靈；南北炮台守軍主動協同配合，打擊登陸之敵；人民群眾積極支援，等等，對於保障這次作戰勝利，也都起了重要的作用。