1900年8月4日，八國聯軍2萬人自天津沿河兩岸向北京進犯。當時，北京和京津間清軍達10萬人，其中“勤王師”3萬人，駐京武衛軍、甘軍、虎神營等3萬人，從天津撤退的宋慶、馬玉昆部1萬多人，加上直隸練軍等共200餘營。5日，義和團和馬玉昆部在北倉阻擊聯軍，打死打傷日軍400多人、英軍120人。血戰多時，北倉失守，裕祿敗走楊村。
6月聯軍攻楊村，清軍剛一交鋒，便潰陣而逃，宋慶、馬玉昆旋即北逃通州。此時，裕祿僅率少數隨從，駐紮於楊村附近的蔡村，最後無奈而自殺。
同日，幫辦武衛軍事務大臣李秉衡臨危受命，率幾個幕僚和數百義和團出京禦敵，名為節製4軍（張春發、萬本華、夏辛酉、陳澤霖），實無一兵應命。7日，李秉衡行抵馬頭，會夏辛酉軍，隨即進駐河西務。9日，馬玉昆部逃到河西務，聲言敵眾我寡，勢不可擋，李秉衡勸其同抗敵，馬玉昆沒有聽從，繼續向南苑逃去。張春發、萬本華兩軍已抵河西務，聯軍尾隨馬玉昆攻河西務，李秉衡急督軍阻擊。張春發未見敵即逃，萬本華、夏辛酉軍戰敗，河西務失陷，李秉衡退至馬頭。時宋慶、馬玉昆等敗軍數萬洶湧潰退，充塞道路，難以阻遏。陳澤霖軍不戰自潰，逃至濟寧；萬本華軍潰而北逃向山西；夏辛酉軍潰而南，逃向山東。
10月，李秉衡退至通州張家灣。11日，聯軍逼進張家灣，李秉衡自盡殉國，張家灣為聯軍所占。12日，聯軍侵占通州，宋慶聞風而逃。
俄軍曾與各軍約定15日會攻北京，但為搶“首功”，13日夜，俄軍背約首先進攻北京東便門，遭到甘軍和團民堅強抵抗，戰鬥非常猛烈，14日兩點，俄軍攻占東便門城門，隨即進攻內城建國門，甘軍在城牆上向俄軍猛烈開火，擊斃擊傷俄軍甚多，擊斃團長安丘科夫上校，重傷直隸司令官華西裏耶夫斯基將軍。激戰到下午，俄軍才攻入內城，俄軍搶先進攻後，日軍立即攻打朝陽門、東直門，在朝陽門遭到甘軍頑強抵抗，從清晨打到黃昏，日軍才攻占朝陽門。英軍在俄、日兩軍進攻之後，攻廣渠門，守兵先已潰逃，英軍於下午兩點首先侵入北京城，並從水洞爬進東交民巷使館區。法、美等國軍隊也相繼侵入北京城。榮祿率領的武衛中軍及神機、虎神等營清兵數萬早作鳥獸散。義和團與旗兵在宮門外聯合抗擊侵略軍。
15日淩晨，西太後挾光緒帝，帶著溥儀等微服出德勝門西逃，隨行者僅載漪、剛毅等10餘人，護衛清軍100人。16日，紫禁城失陷。
八國聯軍占領北京後，對北京居民進行了殘暴的屠殺和搶劫。侵略軍日夜包圍各壇口，搜捕屠殺義和團。僅莊王府一處，就殺死燒死了1700多團民。侵略軍不僅在大街小巷“逢人即發槍斃之”，且闖進民宅亂殺亂砍。11國使館成員也參加了屠殺，並以殺人數目互相炫耀。京內屍積遍地，腐肉白骨縱橫。聯軍在京到處燒房，凡設過拳壇的王公府抵、寺院和民宅，“皆舉火焚之”。大批珍貴圖書檔案被焚燒。聯軍還到處奸淫婦女，屠殺幼童。聯軍占領北京之後，曾特許軍隊公開搶劫3日，後又以捕拿義和團搜查軍械為名繼續行搶。傳教士、使館官員也趁火打劫，大發橫財。於是，皇宮、官衙、王府、宮抵、商店、當鋪、錢莊、民宅皆被洗劫一空。
11月17日，聯軍總司令瓦德抵京。12月10日，聯軍設立“北京管理委員會”，在北京實行軍事殖民統治。