1839年8月，中國禁煙的消息傳到倫敦，英國資產階級立即發出一片狂熱的戰爭叫囂。6月下旬，侵華英軍總司令和全權代表喬治·義律率領英國軍艦48艘，載炮540門和4000名士兵，駛抵廣東海麵。6月28日，英國侵略軍封鎖珠江口，鴉片戰爭正式爆發。麵對強敵，關天培無所畏懼。他與林則徐認真討論了禦敵之策。決定爭取“以守為戰，以逸待勞”的方針，加強防禦，堅決殲滅敢於來犯之敵。
當英軍封鎖珠江口的時候，他們麵對的是嚴整的水師，堅固的炮台，橫亙千尋的鐵鏈木排，以及不可勝數的鄉勇、團練和自動持刀守衛邊疆的民眾。義律見無隙可乘，遂於1840年7月初，率領軍艦北擾閩浙，攻占定海。將全城洗劫一空洗劫一空：把東西全部搶光，就像洗過一樣。。接著，又於8月11日竄到天津海口。威脅北京，並向清政府投遞照會，提出鴉片貿易合法化、賠款、割地等一係列侵略要求。道光皇帝驚恐萬狀，隨即派投降派頭子、直隸總督琦善前往天津海口與英軍談判。談判中，琦善奴顏卑膝，把一切責任推給林則徐，並私下許諾隻要英軍退回廣州，一切問題都可在廣州談判中獲得滿意的解決。經過一番秘密交易，英軍於同年9月中旬開始南撤。昏庸的道光皇帝竟認為畸善退敵有功，於9月1 日任命他為欽差大臣，到廣州繼續與英軍談判，又以“辦理不善”的莫須有罪名，於10月3日把林則徐、鄧廷楨撤職查辦。
琦善是個賣國賊，他於1840年11月底到達廣州後，抱定“一切力反前任所為”，求得“外洋歡心”的方針，下令拆毀虎門的木排鐵鏈和江底暗樁等海防設施，裁減掉一多半兵艦，驅散全部水師，甚至允許英國人前來察看地形、探測內河。這樣，關天培苦心經營多年的海防設施，幾乎被琦善全部破壞了。國難當頭，關天培顧不得個人安危，多次據理力爭，要求琦善重建海防，增兵虎門，但琦善置之不理，琦善的賣國活動，助長了英國侵略者的囂張氣焰。1841年，1月7日，英軍炮艦20餘艘、士兵2000餘人進攻虎門外的沙角、大角炮台，三江協副將陳連升率領守軍600餘人英勇抗擊，最後全部壯烈犧牲。消息傳來，關天培悲痛萬分。他在堅守虎門的同時，將自己的幾顆落齒、幾件舊衣、一綹頭發，用木盒密封，托人送回家鄉，以此來向家鄉父老和親人表達自己以身報國、血戰到底的決心。
英軍在攻占沙角、大角兩炮台，突破虎門第一道防線後，於同年2月25日，又進逼第二道防線的威遠、靖遠、鎮遠等炮台，而以靖遠炮台作為主攻目標。當時鎮守虎門的僅有將士400餘名，形勢十分危急。為此，關天培曾多次派人向握有數萬大軍的琦善告急，請求出兵援助，但琦善坐視不理，致使關天培孤軍作戰。在此危難之際，關天培親自坐鎮靖遠炮台，指揮戰鬥。他以62歲的高齡，當眾宣誓“人在炮台在，不離炮台半步”，極大地鼓舞了守台將士誓死衛國的鬥誌。大家浴血奮戰，多次擊退敵人發起的進攻。次日下午二時許，南風大作，英軍乘風開炮猛攻靖遠炮台，守軍死傷大半。關天培負傷十餘處，血流如注，仍鎮定指揮。炮手犧牲後，關天培親自燃放大炮，後因火門被雨水淋濕，炮不得發。英軍從台後上來，關天培揮刀與敵人搏鬥，親手格殺數人，後不幸中彈，傷重力竭，壯烈陣亡。400餘名守台將士也全部壯烈犧牲。
關天培為國捐軀的消息傳出，激起人們無限悲慟。林則徐揮筆為“關忠節公祠”寫下了“我不如你”四個大字，表達他對摯友的敬意。他還寫下了一副挽聯：“六載固金湯，問何人忽毀長城？孤注空教躬盡瘁；雙忠同坎，聞異類亦欽偉節，歸魂相送麵如生。”這正是對關天培抗敵保國的業績和民族氣節的高度讚揚和概括。