一、联军策划北犯，清廷置若罔闻
英法联军占领广州后，额尔金、葛罗等又在香港密谋策划，确定联军舰队先开往上海，威逼清廷签订新约；若不能达到目的，便北犯白河口，对清廷直接施加压力。美、俄公使完全赞同英、法的图谋。
1858年2月，英、法、美、俄公使分别照会清政府，要求于3月底以前派全权代表到上海举行谈判，否则，即向白河口进发。3月底，侵略者的要求遭到了拒绝，四国公使便决计率领由香港集中到上海的英舰十余艘、法舰六艘、美舰三艘、俄舰一艘，分批北上。
对于侵略者贪得无厌的野心，清廷缺乏清醒的估计。广州沦陷后，仍认为英法只是借端要挟，不会继续入侵，因而命令柏贵“以情理开导”，劝说侵略者退出广州，然后“相机筹办”。同时，任命刑部右侍郎黄宗汉为钦差大臣和两广总督，由京赴粤，与英法侵略者进行谈判。另一方面，咸丰帝接受某些人的建议，要柏贵等借助广东绅民之力，利用各地团练乡勇将联军逐出省城和内河，“使知众怒难犯，……不致诛求无厌”①。不久，咸丰帝接到两江总督何桂清关于英、法、美、俄四公使欲赴天津的奏报。但他仍然置若罔闻，不立即采取对策，直至3月21日，才谕令直隶总督谭廷襄等“于海口各要隘，不动声色，严密防范”②，以防意外。
二、联军进逼大沽，清军仓卒布防
1858年4月20日，英、法、美、俄四国公使在白河口外会齐，24日即分别照会清政府，要求派全权大臣在北京或天津举行谈判。英、法公使竟限令六日内答复其要求，否则即采取军事行动。美、俄公使则打出“调停”的旗号，劝告清廷尽快会谈。与此同时，联军舰队陆续驶抵大沽口，随即进行了进攻大沽炮台的各种准备。他们派出侦察船，探测水深，侦察海口的地形和炮台设施等；派遣侦察人员化装登岸，侦探清军部署；派舰艇抢劫民船商船，掠夺财物粮食；在水边立标打靶，进行临战训练，并对清军巡洋哨船鸣槍挑衅等等。
大沽口是天津的门户，近口三十余里有拦江沙一道，称为“口外之险”，大船不便航行。海口南北两岸建有炮台四座（北岸一座，南岸三座），仅有守兵七百人。海口距大沽村五六里，距天津一百八九十里，中间有新城、葛沽，为商船进口后停泊之处。谭廷襄认为，敌军“长于水，而不长于陆，狡猾性成，未必肯舍长就短”，因而提出了“设防仍以水路为主，兼备炮台后陆路”的方针。①4月19日，谭廷襄与直隶提督张殿元、布政使钱炘和等率兵约八千人，并携带神机营大炮，仓促前往大沽口设防。其部署是：谭廷襄率督标各营驻防海神庙（大沽东、西二村之间），张殿元率提标兵一部防守北岸炮台，天津镇总兵达年率镇标及提标大沽协兵防守南岸各炮台，钱炘和总办粮台，清河道崇厚总理营务处。雇募海船、盐船四十余只，于海神庙前搭浮桥一座，便于两岸联络，协同作战。此外，清廷还调派刑部左侍郎国瑞、护军统领珠勒亨、副都统富勒敦泰等率京营马步各队及火器营、健锐营兵二千余人，携炮三十门（内有万斤大炮数门），赶赴海口，统归谭廷襄节制。谭便令国瑞率马队五百人驻新城以东离海口十五里处；令珠勒亨率马步兵千余人、富勒敦泰率火器营五百人守海口北岸及新河，均作为南北两岸炮台的后路接应。
三、联军大沽登陆，清军抗战失利
英、法、美、俄公使照会清廷后，咸丰帝令谭廷襄与其谈判，要求英、法、美公使返回广东，听候黄宗汉办理，俄使则仍到黑
龙江等处会办。他把希望寄托在打出“中立”旗号的美、俄公使的“调处”上，企图以美、俄牵制英、法。经过多次交涉，清廷的希望完全落空，侵略者决心使用武力迫使清廷屈服。
截至5月19日止，陆续驶抵大沽口外的英、法、美等国舰船共约三十艘50000061_0179_0①。当日傍晚，联军“斯莱尼”号、“复仇者”号等十六艘舰艇和二十余只舢板，载海军陆战队约二千人，驶入拦江沙内，待命行动。美舰和俄舰各一艘相继跟进，为英法联军壮胆助威。
5月20日上午8时，额尔金和葛罗发出最后通牒，要求让四国公使前往天津，并限令清军在两小时内交出大沽炮台，否则武力占领。在此以前，联军拟定了如下攻击计划：首先以六艘炮艇分成二队，同时发炮攻击南北两岸炮台；然后，两支登陆部队分别向南北两岸发起攻击。第一支由四百五十七人（英军二百八十九、法军一百六十八）组成，攻取北岸炮台；第二支由七百二十一人（英军三百七十一、法军三百五十）组成，攻打南岸炮台。
20日上午10时，联军两队炮艇开入口内，同时轰击南北两岸炮台。当时，北岸炮台由游击沙春元率部防守；南岸的主炮台由总兵达年和游击德魁率部防守，左炮台由都司讷勒和等率部防守，右炮台由游击陈毅等率部防守。四座炮台的防兵已增加到三千人，大炮二百余门。面对敌人的进攻，各台守兵奋起还击，击沉敌舢板四只，毙敌近百名。法炮艇“霰弹”号遭到重创，艇长被打死，十一人被打伤。与此同时，守军从海口施放了约五十只火船、火筏，顺流而下。联军舰队立即派小艇将火船、火筏拨开，保护两队炮艇继续轰击炮台。接着，口外的联军旗舰“斯莱尼”号及其它主力舰只的大口径火炮也向炮台轰击。北炮台的三合土顶盖被
1858年5月，英法联军炮击大沽口炮台
击毁，南炮台炮墙亦被轰塌，有的火炮被炸坏。守台兵遭敌炮轰击，伤亡甚众。11时，联军的两支陆战队乘舢板强行登陆，向炮台接近。守军冲出炮台，与敌展开白刃格斗。他们的顽强抗战精神使敌人大为震惊。连目击此次战斗的一个美国人也承认：“中国兵械虽不甚精，而兵弁大都忠勇”。①正当炮台防兵与敌艰苦鏖战之际，谭廷襄、钱炘和等却从大沽村乘轿逃跑，致使士气大挫。当敌陆战队进至炮台附近时，后路清军不仅不及时增援，反而讹传前军失利，以致兵勇惊溃。炮台守兵孤军奋战，沙春元、陈毅等中弹牺牲，各炮台遂相继失守，所有火炮、器械，全被敌军掠获。联军陆战队占领南北两岸炮台后，其炮艇沿白河驶向东沽，烧毁浮桥，占领东、西大沽二村。
这次作战，大沽清军数倍于敌，但仅仅接战两个多小时，四座炮台全部落入敌手。其所以如此，主要是清廷动摇不定，缺乏抗战决心。当联军从上海北上时，咸丰帝一面命令在天津、大沽暗地设防，一面又令谭廷襄等“平心静气”地与侵略者“理论”。前线指挥官谭廷襄虽然奉旨设防，但也根本没有打的决心，战前既无周密的防御计划，战时又不亲临前线指挥，危急时刻则带头逃跑。大沽炮台的陈旧落后，也直接影响了战斗的进行。早在第一次鸦片战争前，驻守虎门的关天培就采用增减木垫的办法调整火炮的射程，可是，大沽炮台连这样的土办法也未采用。固定在炮架上的火炮无法调整射程，结果，敌舰趁落潮时发起进攻，各炮台发射的炮弹便大多成为远弹，不能命中目标。加上仍然采用老式的木制炮架，一旦遭敌火箭攻击，木架着火燃烧，火炮随之滚落地上，无法继续射击。此外，炮台后路部队畏缩不前，有的望风而逃，也加速了炮台的陷落。
四、联军威胁津京，迫签《天津条约》
5月24日，谭廷襄逃回天津，张殿元等各率所部退守天津城外。英法联军炮艇八九艘溯白河而上，于26日驶抵天津城下。不久，四国公使也率主力舰只赶到。侵略者宣称，如清廷不立即派全权代表前往天津谈判，就先取天津，再攻北京。
谭廷襄在大沽炮台失陷后立即声称：“统观事态，细察夷情，有不能战、不易守、而不得不抚者”①。当联军兵临天津城下时，谭更加惊恐万状，认为“时势危急，战守两难”，唯一出路是向侵略者妥协求和。咸丰帝以天津逼近京城，急忙于5月28日派大学士桂良、吏部尚书花沙纳为钦差大臣，赶赴天津议和。
从6月4日起，桂良等与英、法、美、俄代表进行了多次交涉。在英法代表骄横要挟下，桂良等被迫接受了全部要求，分别于6月26日和27日签订了中英《天津条约》和中法《天津条约》。条约的主要内容是：公使常驻北京；增开牛庄（后改营口）、登州（后改烟台）、台湾（台南）、淡水、潮州（后改汕头）、琼州、汉口、九江、南京、镇江为通商口岸；扩大领事裁判权；对英赔款四百万两，对法赔款二百万两；修改税则等等。条约规定第二年在北京交换批准书。
当桂良等与英、法代表谈判时，美、俄公使扮演“调停者”的角色，玩弄陰谋诡计，竟抢在英、法之前，诱逼清廷分别于6月13日和18日签订了中俄《天津条约》和中美《天津条约》。在中俄《天津条约》签订以前半个月，黑龙江将军奕山在沙俄武力威胁下，与东西伯利亚总督穆拉维约夫签订了非法的《瑷珲条约》。通过这个条约，沙俄侵吞了中国黑龙江北岸、外兴安岭以南六十多万平方公里的领土。