7月9日，各國軍隊聯合進攻海光寺一帶，聶士成率部迎戰，中炮陣亡，海光寺西局子被奪占。聶士成勇敢善戰，與租界敵軍惡戰多次，為侵略軍所懼憚。當時人記載稱：“西人謂自與中國交戰以來，從未遇此勇悍之兵。”聶士成戰死後，所部步馬30營多半潰散，天津城防因此削弱。次日幫辦北洋軍務宋慶到天津主持戰局。13日，聯軍大舉進犯，炮轟天津城，全城大火。時俄、德軍為一路，由俄軍中將率領進攻東北角水師營炮台(黑炮台)；另一路由日、美、英、法、奧軍組成，約五千人，由日本福島少將任指揮，從海光寺直撲天津南門。南門外原是水塘和窪地，義和團掘堤放水、頓成一片澤國。馬玉昆部和何永盛部練軍，憑城固守，炮擊敵軍。義和團在城外濠溝裏和蘆葦叢中阻擊敵人，戰鬥中擊斃美軍第九步兵團上校團長及其以下軍官多名，打死八百餘人。這是天津戰役中最激烈的一次戰鬥。當晚，裕祿在馬玉昆等保護下，逃到北倉。14日，日本工程兵轟塌南門，敵軍從城牆缺口攻入天津城，黑炮台也為俄軍占領。天津失陷後，侵略軍大肆焚掠，殘暴罪行，令人發指。
天津陷落後，俄軍統帥召集各國高級軍官開會，成立天津臨時政府(即“天津都統衙門”)，企圖由俄軍上校擔任行政首腦，其他國家表示反對，遂改由俄、英、日各派一名軍官組成委員會(後來又增加德國軍官一名)。這個機構對天津及其附近地區進行了長達兩年的殖民統治，直到1902年8月被撤銷。天津剛失陷，俄國即搶占海河東岸近六千畝地方，劃為俄租界，超過原來英、法、德、日租界的總麵積。其他在天津沒有租界的比利時、奧匈帝國、意大利要求建立租界，已占有租界的英、德、日則要求擴大，因此出現了帝國主義分割天津的局麵。
7月14日聯軍占領天津後，內部矛盾重重，對何時進犯北京爭吵不休。直到8月4日，各國聯軍約兩萬人，從天津出發進攻北京，其中日軍約八千，俄軍四千八百，英三千，美兩千，法四百，意、奧不滿一百人，德軍沒有參加。侵略軍兵分兩路,日、英、美軍為右翼，沿北運河西岸前進；俄、法、意、奧軍為左翼，沿北運河東岸推進。當時沒有統帥，商定每晚各國頭目開會，製定第二天作戰方案。清軍為阻敵前進，在北倉修築陣地，決堤放水，淹沒西沽、北倉間的大片地段，並在有些地方布了水雷和地雷。次日，聯軍以日軍為主進攻北倉。清軍奮力抵禦，斃傷敵軍四百人，但北倉失陷。6日，英、俄、美軍進攻楊村，清軍迎戰失利，裕祿自盡。清政府宣戰後一個多星期，就指示駐外各使館，要它們向各國政府保證，由它“設法相機自行懲辦”義和團，並命令軍機大臣兼武衛軍統領榮祿派人到外國使館商議停戰，後來又一再向俄、日、英、法、德、美政府乞情，請求它們出麵調停。但清政府的一切求和活動都沒有結果。8月7日，清政府任命李鴻章為議和代表，電商各國停戰，前線將領因而更無鬥誌。11日，聯軍逼近張家灣，幫辦武衛軍務大臣李秉衡自殺。12日，侵略軍占領通州。次日，俄軍率先進攻東便門,日軍隨即攻朝陽門、東直門。戰鬥都很激烈，大隊清軍前去增援。廣渠門守備空虛，英軍乘隙攻入。14日北京失陷。慈禧太後、光緒皇帝於次日清晨倉皇出逃。16日圍攻西什庫教堂的戰鬥結束。慈禧在流亡途中，頒布“剿匪”諭旨，通令各路官兵剿辦義和團，要做到斬盡殺絕。聯軍占領北京後，大肆燒殺搶劫。除侵略軍官兵外，傳教士、外交官和僑民亦有參與掠劫者。北京許多房屋成了瓦礫堆，被殺者的屍體到處可見。八國聯軍將北京全城分為幾個占領區，實行軍事統治，鎮壓居民反抗。英、德、法等軍繼續派出部隊，四出攻城略地。9月間，俄軍占領北塘、唐山、秦皇島等地，控製北京、天津到山海關鐵路。德國元帥瓦德西又率領兩萬德軍到中國，並任聯軍統帥。10月中，他派出德、英、法、意軍隊從北京、天津兩路進攻保定。直到次年4月，瓦德西組織了四十六起“討伐隊”(其中三十三起為德軍)四出侵擾，西至直晉邊境的娘子關、紫荊關，西北到張家口，南到直魯邊境。所到之處燒殺掠劫，無惡不作。