大沽口炮臺失陷，僧格林沁統(tǒng)率七千馬隊(duì)與萬名步兵從天津退至通州八里橋一帶，清軍撤退后聯(lián)軍迅速占領(lǐng)天津，僧格林沁準(zhǔn)備與聯(lián)軍進(jìn)行野戰(zhàn)。

當(dāng)咸豐帝知道大沽口炮臺失守后急派大學(xué)士桂良為欽差大臣到達(dá)天津，與直隸總督恒福向聯(lián)軍談判，然后雙方并未談攏。聯(lián)軍決定向清國的首都「北京」進(jìn)軍，當(dāng)時(shí)中國國內(nèi)就有一些外國傳教士，聯(lián)軍通過依靠這些神父得知了從北京到通州的運(yùn)河沿岸都部署了大量清軍，運(yùn)河上有一座石橋即為八里橋。聯(lián)軍準(zhǔn)備在八里橋與清軍作戰(zhàn)。

僧格林沁統(tǒng)率17000人駐扎在張家灣至八里橋一線，扼守通州至京師廣渠門的大道；他還讓副都統(tǒng)伊勒東阿帶4000蒙古兵負(fù)責(zé)防守八里橋；另有1000名察哈爾蒙古馬隊(duì)由總管那馬善統(tǒng)帶，負(fù)責(zé)防守聯(lián)軍派人西進(jìn)繞道進(jìn)犯京師。直隸提督成保率4000綠營兵防守通州。副都統(tǒng)勝保率五千京營兵駐守齊化門至定福莊一帶，且作為前線后備部隊(duì)，必要時(shí)護(hù)衛(wèi)京師，清軍參戰(zhàn)兵力共30000人左右。與之對壘的聯(lián)軍人數(shù)約8000人左右，9月18日，聯(lián)軍先頭部隊(duì)自天津出發(fā)后逼近張家灣附近，并向張家灣的清軍駐地發(fā)炮攻擊。蒙古騎兵向聯(lián)軍發(fā)起進(jìn)攻，然而聯(lián)軍直接用數(shù)百支康格列夫火箭齊射驚擾到騎兵的坐騎，馬匹亂沖沖到了后面的步兵，導(dǎo)致陣勢混亂，紛紛后退，僧格林沁只好率部退入八里橋，扼守進(jìn)入京城道路。八里橋東距通州八里，西距京城三十里，是由通州入北京城的咽喉要地。

在退守八里橋后，他和瑞麟商定，將全軍分設(shè)南、東、西三路來截?fù)袈?lián)軍。還將近1萬名騎軍部署在八里橋一帶防守，還利用八里橋周圍的灌木叢林，在這里構(gòu)筑了土壘和戰(zhàn)壕，以此來與聯(lián)軍作戰(zhàn)。

9月21日，聯(lián)軍以騎兵在前方開路向八里橋方向推進(jìn)，法軍的三個炮兵連和部分兵員居于中軍，英軍則是居于后。上午7時(shí)，聯(lián)軍也分成東、西、南三路軍隊(duì)對八里橋清軍陣地發(fā)起攻擊。東路為法軍將官雅曼指揮的法軍第1旅，西路為格蘭特直接指揮的英軍。南路是科林諾指揮的法軍第2旅，是進(jìn)攻八里橋的主力。因此次作戰(zhàn)以法軍為主，所以由法國人孟托班擔(dān)任此次總指揮。

八里橋之戰(zhàn)打響后，清軍馬隊(duì)按部署計(jì)劃立即由正面沖去，企圖依靠沖鋒來擾亂和分割聯(lián)軍的戰(zhàn)斗隊(duì)形。有些騎兵沖至距聯(lián)軍30米處時(shí)射箭以期殺傷聯(lián)軍，他們有些直接持長矛沖進(jìn)聯(lián)軍內(nèi)，不過卻被聯(lián)軍步兵用刺刀火槍放倒。清軍馬隊(duì)被聯(lián)軍用步兵密集火力和榴霰彈轟擊導(dǎo)致大量傷亡，戰(zhàn)馬因?yàn)槭荏@而橫沖直闖，沖鋒的部分騎兵因戰(zhàn)馬受驚跌落，馬隊(duì)被迫退卻下來。隨后，聯(lián)軍主力第2旅用重炮轟擊八里橋上的勝保部，當(dāng)聯(lián)軍主力的兩個前鋒連沖到橋邊時(shí)，守衛(wèi)石橋的清軍開始沖出與聯(lián)軍步兵展開白刃戰(zhàn)。

戰(zhàn)斗開始以后，僧格林沁才知道主攻八里橋的是聯(lián)軍主力，僧格林沁在勝保部與聯(lián)軍戰(zhàn)斗的同時(shí)，指揮馬隊(duì)穿插于敵人的南路與西路之間，想以此將聯(lián)軍分割再配合步兵殲滅聯(lián)軍主力。但是他沒想到勝保所部潰敗太快，僧格林沁只能與聯(lián)軍展開混戰(zhàn)。上午9時(shí)，聯(lián)軍兵分兩路，一部分繼續(xù)與僧格林沁對抗，一部分向于家圍進(jìn)攻來斷開僧軍后路。僧格林沁面臨著夾擊，然而他仍然繼續(xù)作戰(zhàn)，部分馬隊(duì)兵甚至沖到距大炮僅有30米處，但是沒能繼續(xù)前進(jìn)被步兵射倒。

在聯(lián)軍火炮轟擊下，八里橋最終失陷。軍官吉拉爾在《法蘭西和中國》中對清軍作戰(zhàn)做了詳細(xì)描述：“光榮應(yīng)該屬于這些好斗之士，確是應(yīng)該屬于他們！沒有害怕，也不出怨言，他們甘愿為了大家的安全而慷慨地灑下自己的鮮血。這種犧牲精神在所有的民族那里都被看作為偉大的、尊貴的和杰出的…… 這樣的英雄主義在中國軍隊(duì)里是經(jīng)常可以看到的；而在歐洲則以誤傳誤，竟認(rèn)為中國軍隊(duì)是缺乏勇氣的，此乃是一大謬誤?！辈Ⅻc(diǎn)評說：“八里橋之役，中國軍隊(duì)以少有之勇敢迎頭痛擊聯(lián)軍。他們的軍隊(duì)是由兩萬五千名韃靼兵和為數(shù)眾多的民團(tuán)所組成的”，“盡管他們呼喊前進(jìn)，勇猛和反覆地沖殺，還是一開始就遭到慘敗！然而，他們頂住了使他慘遭傷亡的強(qiáng)壓火力”，最后，他們“還是寧愿一步不退，勇敢堅(jiān)持，全體就地陣亡”。

《翻譯官手記》中這樣寫到：“敵人已經(jīng)兩次被打退，卻還沒有認(rèn)輸，正準(zhǔn)備橫下一條心來爭奪通道?！袊爽F(xiàn)在可不是躲在城墻的后面或由工事掩護(hù)著來進(jìn)行戰(zhàn)斗，他們現(xiàn)在已挺身而出。在那里，皇帝的韃靼禁衛(wèi)軍，帝國軍隊(duì)的精華正聚集在首都的大門口。在橋的正中央，冒著槍林彈雨，他們的一位官長騎著馬站在前面；他揮舞著黃旗表示挑戰(zhàn)，盡管隆隆的炮聲蓋過一切，可是他還在高聲呼喊著。在這位英勇的官長的周圍，橋欄的大理石塊四散飛舞，我們的炮彈造成了成批的殺傷。死神一刻也沒有歇手，卻并沒有嚇倒這些不靈活，然卻勇敢的斗士，他們寸步不退?！?/p>

勇敢的人戰(zhàn)死沙場了，懦弱的人在后面茍且偷生了。