一、清军在津京间的防御部署
天津失陷后，清廷一面令从天津撤离的部队在北仓、杨村等地设防，一面调派其它部队增强北京及其附近地区的防御。其时，马玉昆部十五营、聂士成余部四营、吕本元部五营、何永盛部五营、安卫军二营共约一万五千人退至北仓，宋庆部十三营退至杨村。芦台有武卫前军冯义和部十七营、胡殿甲部五营；北塘守军如前。此外，部分勤王之师也陆续到达：杨柳青有记名总兵蒋尚钧部豫军五营，北京附近有湖北提督张春发部武卫先锋左翼十营，江西按察使陈泽霖部武卫先锋右翼十营，总兵夏辛酉部嵩武军六营，总兵万本华部晋威军四营，陕西布政使升允部陕军八营，甘肃布政使岑春煊部甘军六营，北京城内有驻军六七万人。总计京津间兵力不下十万。此外，还有义和团七万余人，其中北京城内约有五万，另二万余人分散在津京间的交通沿线。
为阻止联军沿北运河北上，退至北仓一带的清军万余人在马玉昆的统率下，于北仓以南横跨运河构筑了两道防御阵地。第一道由刘家摆渡（今刘家码头）、韩家树（今韩家墅）、火药局（今杨家咀附近）、刘家房、唐家湾、穆庄（今天穆村）等据点组成，构筑了火炮阵地，埋设了地雷，由武卫左军、武卫前军及淮军、练军等九千人防守。第二道以北仓南的王庄为中心，构筑向左右各延伸三公里的垒墙，并在各要隘埋设地雷。在北仓东南和西北构筑了火炮阵地，分别配置十门和十四门火炮。北仓东南地势空旷，于马家庄筑坝开沟，引水淹灌。第二道阵地由武卫左军四五千人防守。此外，北仓附近尚有一二千人作为预备队。
宋庆以杨村车站为中心，跨北运河构筑了正面约五公里长的垒墙，由五千人驻守；并沉大船二三十只于运河中，以堵塞水道。
7月18日，清廷派翼长长麟、文瑞分统北京义和团两千余人前往通州及其以南地区，挖壕筑垒，令其“扼要助剿，勿任敌兵北犯”①。
二、联军北犯
八国联军占领天津后，立即派兵占据各要隘、炮台，修整工事，防御清军及义和团的反攻，并成立“都统衙门”②，以维护其侵略秩序。同时，继续调兵遣将，准备进犯北京。
7月底8月初，联军在天津的兵力已增至三万四千人，北上作战的准备工作基本就绪。8月3日，侵略军召开指挥官会议，协调了彼此间的意见，拟定了进攻北京的计划，准备集中兵力，攻占北运河两岸各战略要点，最后夺取北京城。
8月4日夜，联军除以部分兵力留守天津、大沽等地外，集中一万八千余人及八十一门火炮，从天津出发，沿北运河两岸向北仓进犯。运河右岸为日、英、美军，共一万三千二百二十人，携带火炮五十三门；左岸为俄、德、法、意、奥军，共四千八百五十四人，携带火炮二十八门。8月5日2时许，联军接近并进攻清军第一道防御阵地的刘家摆渡、韩家树、火药局等据点。清军稍事还击，即溃散撤退。5时左右，第一道防御阵地即被敌攻占。之后，日军从西侧，英军从中部，美军为后援，进攻清军的第二道防御阵地。日军由西侧“绕道十余里，出马军后”，马玉昆部“尽失其险”。①在联军前后夹击下，清军腹背受敌，且战且退。当清军同联军接战时，附近义和团数千人赶来助战，虽然给联军以不小的打击，但也未能阻止敌人的进攻。当日上午9时，北仓防线及北仓据点全被敌人攻占。北运河左岸的联军因徒涉水淹地，行动迟缓，战斗结束后才赶到北仓。此战，联军共死九十五人，伤五百四十人。
8月6日晨，联军乘胜分路进攻杨村的清军阵地。俄、法军攻清军右翼，美军攻左翼，英军从正面进攻，日军为后应。宋庆军一触即溃，与马玉昆残部一起，向通州方向败退。直隶总督裕禄逃至南蔡村后，自杀而死。8月8日，南蔡村失守。
在清军丢失北仓、杨村前，清政府命李秉衡统率“勤王师”前往河西务御敌。李秉衡曾任山东巡抚，奉命进京前为巡阅长江水师大臣。7月25日陛见慈禧时，他自动请求赴前线杀敌。次日，清政府即任命他为帮办武卫军事务大臣，“所有张春发、陈泽霖、万本华、夏辛酉四军均归该大臣节制”②。8月6日，李秉衡率四军离京，7日抵马头，8日抵河西务。李秉衡令张春发部十营、万本华部四营驻守河西务；陈泽霖部十营驻守河西务西侧；自率夏辛酉部六营驻守河西务西北八里之羊房。9日晨，清军防御阵地尚未构筑完毕，两路联军即已包抄河西务。战斗打响后，张春发部稍战即退南苑，陈泽霖部也大部溃逃。万本华部虽同联军接战多时，但因兵力不足，无法击退联军的进攻。李秉衡督率夏辛酉部迎敌，升允也率马队两旗助战，经激战后均退马头。马玉昆率败退的清军路过河西务，竟遇敌不战，一直溃逃到南苑。该部同宋庆败军一起，沿途焚掠洗劫，人民深受其害。李秉衡目睹数万清军不战而逃，颇为愤慨，但又无法阻止。8月10日，李秉衡由马头退至张家湾，次日即吞金自杀。联军随即夺占张家湾，并派兵袭击通州。该城守军有险不守，弃城逃京。
8月12日晨，联军不战而据通州，尽获库中军械、粮饷。除留德、法军一部驻守外，联军直扑北京。
从8月5日至12日八天之内，不足两万人的侵略军竟然连续攻占了数万清军防守的北仓、杨村、河西务、通州等战略要地，直接威胁北京。这种情况的出现，主要是清军已被失败情绪所支配，战术上又采取了分兵守点的单纯防御，同时，各要点未构筑起足以阻敌前进的坚固阵地，结果在敌人并力猛攻下全线崩溃。李秉衡虽请缨上阵，无奈军心已散，所统各军又皆临时应命之师，不能同心协力御敌，以致无法挽回败局。
三、北京的陷落
通州失守后，清军七八万人齐集北京：宋庆、马玉昆部万余人驻南苑；董福祥部二十五营驻广渠门、朝陽门、东直门；荣禄部三十营驻西华门、棋盘街；八旗、绿营两万余人驻内城九门、外城七门；虎神营、神机营等三十九营驻守各门城楼；八旗前锋和护军守紫禁城。义和团五万余人分别守卫东西河沿、东西珠市口、菜市口、花儿市等六大区。全部城防由荣禄负责，与徐桐、崇绮、奕、载漪等共商重大事宜，实际上没有形成统一的指挥。
8月13日夜，联军一万五千余人携火炮百余门，分三路冒雨进逼北京：日军七千二百人，携火炮五十四门，从通州出发，经八里桥、定福庄、红庙、关东店，先头部队于14日7时半抵达朝陽门外东岳庙附近；俄军三千四百八十人，携火炮二十二门，沿通惠河北岸经八里庄、八王坟、郎家园，于14日黎明前抵近东便门；英军两千二百五十人，携火炮十三门，沿通惠河南岸经苏家沟、关厢附近，于14日上午11时抵近广渠门；美军一千八百二十人，携火炮六门，随英军后开进；法军四百人，携火炮十八门，循俄军路线开进。另有三千联军从天津出发，以为后援。
俄军先头部队于8月13日午夜到达东便门，因途中未遇任何抵抗，认为可以轻取城门，遂提前攻城；讵料清军和义和团“守护极严，急切未能得手”①，只得向日军求援。日军派步兵一个大队前往助攻。日军于14日上午8时在朝陽门、东直门外一千五百米处开炮轰城，遭清军炮火还击。董福祥在得知上述三门受到攻击后，即调广渠门守军往援。上午11时左右，英军抵广渠门，乘虚攻城，14时进入城内。英军得知水门处河道枯涸，便涉淤泥进入内城，15时左右首抵使馆区，并分兵一部占领天坛。美军随英军之后，于17时许进入使馆区。进攻东便门的俄军在部分美军配合下，一部于14日午后从城门洞隙处匍匐而入，一部攀上城墙，打退守军，进入城内。进攻东直门的日军，不断以炮火猛烈轰城（发弹万余发），摧毁城墙上的清军火炮；然后派两个工兵队携带炸药包，于21时许对第一、第二门连续爆破，21时40分占领东直门。接着，日军北占安定门，南攻朝陽门，于22时许破门进入城内。法军也于14日午夜入城。联军入城后，被围近两个月的使馆区及西什库教堂之围随之解除。
8月14日，在京城即将被联军攻破时，慈禧欲召集六部九卿议事，但无一人应召，只得同入值大臣载澜商量出走事宜，并令载澜护卫。载澜借口无兵而推辞，并建议张白旗投降。8月15日晨，当联军进攻东华门时，慈禧挟持光绪帝出逃，分别着青衣素服，同载澜、载漪、奕、刚毅等王公大臣以及内监李莲英等人，在两千余名八旗兵的护卫下，仓皇出西华门和德胜门，经颐和园、居庸关等处，往太原方向出走。
联军进城后，清军大部溃散，仅义和团和部分爱国官兵筑起街垒，继续同侵略军战斗。8月15、16日，联军攻占了各城门和紫禁城，17日占领全城。
此役，联军死伤四百五十余人，内有校以上军官二十五人。清军伤亡四千余人，义和团民牺牲甚众。
联军攻陷北京后，纵兵抢劫三日，皇宫、官邰住宅、商店无一幸免。“自元明以来之积蓄，上自典章文物，下至国宝奇珍，扫地遂颈①。尚留在城内的义和团及不少无辜百姓，惨遭屠杀。侵略者无恶不作，奸婬掳掠之事，不可胜计。随后，联军成立“北京管理委员会”，将京城划为十一区，分别由各国侵略军占领。同时，联军继续增兵，加强京津间战略要地的守卫，并对北京周围五十公里以内的重要村镇巡回扫荡，沙河、八大寺、玉泉山、芦沟桥、良乡、庞各庄、礼贤镇等地先后被占。为了便于控制，联军在占领区内迅速恢复了铁路交通和通信联络。
9月25日，联军总司令瓦德西到达大沽，10月17日进京，设总司令部于紫禁城的仪銮殿。此时，联军在华兵力已逾十万，驻京部队超过三万人。
防守北京城的清军四倍于敌，但在数日之内，清王朝的统治中心竟落敌手。之所以如此，除了清廷政治腐败，军队士气不振这一根本原因外，从防御部署看，主要存在以下问题：首先，没有在联军进攻方向的正面和两侧集结必要兵力，阻击和侧击敌人，而是将七八万兵力密集于城区，使联军得以长驱直进，迅速兵临城下。其次，清军虽然装备了不少近代槍炮，但其守城战术仍然是过去的一套旧法，以八千名士兵分别守卫各城门的城楼和城垛，将近九百门新旧火炮配置于城上，冀以居高临下的炮击，阻止联军的进攻。结果，城上火炮被敌炮击毁，城墙遭敌工兵连续爆破，无险可守。城内各区守军，也因没有在主要通道口构筑巷战工事，以致东三门被联军突破后，全城很快沦陷。此外，北京的失守，还在于缺乏有权威、会指挥的最高统帅，以致各部分区防守，互不统属，互不策应。结果，东城各门被联军分别攻破，其它各门、各区的守军也很快不战而散。