攻打天津時，聯軍兵力已經達到17000餘人，其中日軍3800人、俄軍6900人、英軍2200人、美軍1600人、法軍1900人、德軍500人、意軍100人，奧軍150人。隨後，作為八國聯軍的主力，日本又就近調來陸軍第五師團共15000人，加上從第十一師團抽調的1000人，於7月14日來到天津。
除此外，各國前來增援的部隊也正在途中，如德國派出了7000陸軍正殺氣騰騰地趕來，而法國、英國、意大利等國的後續軍隊也都行駛在公海之上，不久即可到達天津。庚子年間，聯軍兵力最多時曾一度達到5萬人。在當時的大沽口外，各國軍艦雲集，士兵、武器、糧食等補給正源源不斷地從海上運到天津集結。
八國聯軍進攻北京的軍事行動中，主要以日、俄、英、法、美五國軍隊為主，其中日本和俄國出兵最多（地理位置相對較近的緣故），而奧地利和意大利隻是象征性的出兵；至於德國，其大部隊是在聯軍攻占北京後才到達的。不過，八國聯軍雖然是一支臨時拚湊起來的雜牌軍，但由於其配備了當時世界上最先進的武器，因而數量是其四五倍之多的清軍仍舊不是對手；至於義和拳，那就更毋庸贅言了。
清廷下發宣戰詔書後，此前被革職的山東巡撫、長江巡閱水師大臣李秉衡由江蘇率軍北上勤王，並於7月25日到達北京。慈禧太後見後大喜，便命他率另外四支勤王軍，外加京城中的義和拳一起赴京津間阻擊聯軍。
但是，李秉衡名義上雖然受命節製各軍，但這些軍隊不僅戰鬥力不強，而且根本不服從其指揮。至於那些義和拳，雖然奉李秉衡為大師兄，但這些拿著引魂幡、混天大旗、雷火扇、陰陽瓶、九連環、如意鉤、火牌、飛劍之類東西的烏合之眾，即使上了戰場，那也根本不起作用。等到聯軍殺過來時，各路軍隊不聽命令，紛紛奪路而逃，混亂當中，清軍剛一接戰根本未經戰鬥便被折去大半。眼見大勢已去，李秉衡最後服毒自殺，可憐他一世清名，最後竟不得善終。
就在李秉衡自殺的當天，主和的兵部尚書徐用儀、大學士聯元和戶部尚書立山也同時被殺，而吏部侍郎許景澄和太常寺卿袁昶在7月底也因主張和議被殺。半月之內，載漪等仇洋派連殺五大臣，罪名都是“裏通洋人”。混亂當中，就連榮祿、王文韶等人也險遭載漪等人的暗算。
8月12日，聯軍進抵通州，宋慶等部再次戰敗潰散。此時，北京已是門戶洞開，在城中也能聽到隱隱炮聲。8月13日，董福祥率甘軍迎戰聯軍於廣渠門，大敗後軍紀失控，竟至縱兵大掠，導致城內未戰先亂。13日晚，電閃雷鳴，風雨驟至，天氣忽然變得極為惡劣。各國軍隊到達北京城外時，整個北京城一片風雨飄搖，狂風大作。由於天氣緣故，聯軍暫時停止了進攻。短暫休戰的北京城，安靜得讓人害怕。
8月14日清晨，俄軍率先攻破東便門衝進城內，由此最先進入北京城。日軍進攻東直門和朝陽門，也在當天清晨入城；法軍聽說北京城破，也急忙趕來匆匆入城；英軍則從廣渠門進入北京城。令人心酸的是，在城破後，裏麵人見了英國的雇傭兵（印度兵），竟然還有人以為是甘肅回部救兵來了（因其纏頭習俗）。是日，百官無入朝者。新任工部尚書的徐會澧前去宮中謝恩，其到神武門時，聽到哭聲一片，宮人紛紛逃出，才知道北京城破。
當時的北京城分成外城（主要由漢人居住）、內城（主要由旗人居住）和紫禁城（皇城）三個圈，每個圈都有高大的城牆。使館區位於北京內城，要想正麵進入還需要繼續攻破內城城牆。這時，英軍中有一支來自威海的華勇營（說來頗令人心酸，八國聯軍中有數支華人雇傭軍），其中便有人知道一條捷徑，那就是通過流經內城的玉河水門下水道可以直接通往使館區。由此，英軍雖然進城最晚，卻是最早到達使館區的。