當桂良等與英法代表談判時，美俄公使假演“調停者”的角色，玩弄陰謀詭計，竟搶在英法之前，誘逼清廷分別於六月十三日和十八日簽訂了中俄《天津條約》和中美《天津條約》。在中俄《天津條約》簽訂以前半個月，黑龍江將軍奕山在沙俄武力威脅下與西伯利亞總督穆拉維約夫簽訂了《璦琿條約》。沙俄侵吞了中國黑龍江北岸、外興安嶺以南六十多萬平方公裏的領土。同年十一月，桂良、花沙納又在上海同英法美三國分別簽訂了《通商章程善後條約》及《海關稅則》，作為《天津條約》的補充。
鹹豐九年（1859年）六月，英國公使普魯斯，法國公使布爾布隆各率一支艦隊北上大沽口，準備進京換約。清政府指定換約代表由北塘登陸經天津至北京，並要求換約代表不得攜帶武器，各兵船武裝人員不得登陸。而英法公使卻仗恃武力，堅持要從大沽口溯白河進京，蓄意利用換約時機，重新挑起戰爭，向清廷索取更多的權益。二十五日，英法兵艦突然炮轟大沽炮台，守軍奮起迎擊獲勝，英艦司令賀布受傷，擊沉擊傷聯軍兵艦十餘艘，傷斃敵兵四百多人，英法艦隊在美艦支援下撤走。不久之後，英法兩國政府分別再次任命額爾金、葛羅為特命全權代表，以陸軍中將格蘭特和孟托班為英法遠征軍總司令，組織一支新的聯軍約兩萬餘人，於鹹豐十年（1850年）春開始第三次北犯。先後占領了舟山、大連灣、煙台。七月聯軍再次闖入大沽口。由於北塘守軍毫無戒備，聯軍順利登陸北塘。而後，清軍又在新河、軍糧城、唐兒沽（今塘沽）節節敗退，大沽炮台失陷，聯軍長驅直入占領天津。
聯軍占領大沽炮台後，鹹豐帝極度驚恐，急派桂良為欽差大臣趕赴天津，會同直隸總督恒福向英法聯軍乞和，因聯軍索需苛重，天津、通州談判相繼破裂。於是聯軍又進攻通向北京的要隘張家灣、八裏橋，清軍先後敗績。消息傳到北京，清廷極為震驚，鹹豐帝命其弟恭親王奕為欽差大臣留守北京“督辦和局”，自己卻於九月二十二日帶著皇妃等逃奔熱河。
十月五日，北京附近海澱失陷。英法聯軍將圓明園內的寶藏洗劫一空，最後又縱火焚燒。火勢延續三晝夜，罕世名園成了一片焦土。
十月十三日，北京被聯軍占領。奕按著鹹豐皇帝“委曲將就，以其保全大局”的諭旨，屈膝求和，於十月下旬，與英法交換了《天津條約》批準書，全部接受了《天津條約》的侵略要求，而且還訂立了《北京條約》。《北京條約》除承認《天津條約》有效外，還增加了幾項內容：開天津為商埠、準許華工出國；割九龍司給英國；將以前被充公的天主教產發還；準許“法國傳教士在各省租買田地，建造自便”；把《天津條約》中規定的對英法的賠款各增加為800萬兩；“恤金”，英國50萬兩，法國20萬兩。
沙俄借口“調停”有功，要求訂立新約。同年十一月，清政府又被迫訂立了中俄《北京條約》，沙俄再次割去中國大片領土和攫取更多特權。美國雖未與清政府簽訂新約，但根據“一體均沾”的條款，同樣可以享受英法俄所攫取的特權。同月，侵略軍陸續撤離北京，第二次鴉片戰爭結束。
洋務運動
十九世紀六十至九十年代，清政府在太平天國和撚軍農民起義的打擊下，又在第二次鴉片戰爭中再次被外國侵略者打敗。麵對這種形勢，封建統治階級營壘中的一些有識之士，如：在中央官吏中以總理衙門大臣奕、大學士桂良、戶部侍郎文祥等為代表，在地方官吏中以兩江總督曾國藩、閩浙總督左宗棠、直隸總督李鴻章以及後起的湖廣總督張之洞等為代表，他們感受到外國的“船堅炮利”，從而意識到無論拯救民族危亡，還是維護自身統治，都不能再固守陳腐的“祖宗之法”，唯一的辦法是向西方學習，引進先進的生產方式和物質文明；他們還繼承了林則徐、魏源的“師夷長技以製夷”的思想，這就形成了以拯救清王朝封建統治、禦侮自強為目的，以引進西方先進的生產技術為主要內容，以“中學為體，西學為用”為宗旨的向西方學習的潮流，史稱“洋務運動”，舊稱“同光新政”（意即同治、光緒年間舉辦的“新政”，又稱“自強新政”）。
洋務運動初期，是在“自強”的口號下籌建近代軍事工業和編練新式海軍，鹹豐十一年（1861年）底，曾國藩在安慶設立“內軍械所”、“製造洋槍洋炮，廣儲平實”，是洋務派興辦軍事工業的起點。同治三年（1864年）安慶內軍械所隨軍遷到南京。安慶內軍械所雖然是以手工業製造為主，但卻是當時清軍的一大武器供應中心。