在第一次大沽口戰役失敗之後，1859年11月英法分別任命格蘭特和孟託班為遠征軍司令，英軍18000人、法軍7000人來到我國領海報仇。
1860年5月27日英軍佔領大連，6月8日完成對渤海灣的封鎖，7月26日英法聯軍會和，英軍173艘戰艦和法軍22艘戰艦發起了北塘之戰，拿下北塘後，8月20日巴夏禮要直隸提督樂善（前直隸提督史榮椿在第二次大沽口之戰中殉國，由在此戰中表現突出的樂善接任）會話。
樂善厲聲說：“逆夷聽著，爾等來天朝通商，大皇帝厚禮相待，爾等非但不思報恩，反佔我城池，殺我百姓，喪盡天良，還不速速退去，巴夏禮說：“提督閣下，此次聯軍前來是貴國屢次違約，不守信用，非我們之過。現在廢話不說，快快投降，獻出炮臺。”樂善哈哈大笑說：“爾等要炮臺，就來打吧。”
8月21日5時英法聯軍發起進攻，英艦衝到積沙之處，陷了下來，士兵要開炮，僧格林沁說：“敵艦已陷入積沙，還會插翅飛走不成？與其開炮打死他們，不如將它們團團圍住，生擒洋鬼子到北京請功。這樣比把他們打成炮灰要好。”僧格林沁話音未落，英艦掛起白旗，僧格林沁不禁大笑：“平常人們說洋鬼子用兵厲害，今天看來，洋鬼子本領不過如此，可知從前廣東幾次敗仗並非洋鬼子能耐。這次可雪恥了！”
此時英艦趁機已駛出積沙，集中所有艦炮和野戰炮猛轟北岸炮臺，中國炮火也不甘示弱，炮彈如雨打來，對聯軍還擊。
因清軍炮口對準海口方向，炮身無法轉動，所以無法炮擊側後敵軍。清軍彈藥庫被敵軍一炮擊中後爆炸，使清軍大炮射擊減緩，雙方炮擊持續兩小時。法軍克林諾和內皮爾趁我軍射擊放慢之際下令衝鋒，以法軍兩個旅為中鋒，一個法國縱隊為後翼，一個英國縱隊為左翼。衝鋒隊伍多開大炮轟擊，沒有多大傷亡便到達炮臺下面。前面的幾個聯隊一進入火槍射程便迎頭吃上幾排子彈，但沒引起混亂。
要登上炮臺，必須穿過兩條灌滿水的深溝，越過一道竹尖構成的柵欄，還要翻過一座城牆。當聯軍接近水溝時清軍各式火槍一起猛烈開火，聯軍一次又一次發起衝鋒，最後越過水溝，砍倒柵欄，來到城牆邊。雲梯架起來，士兵推上刺刀，一個接一個爬上城牆。
清軍則全力自衛，用舊式長槍、長矛、弓箭拼命搏鬥，或將圓彈扔過來，或將雲梯推倒，許多聯軍掉進水溝裡，有的透過炮眼將敵人拖過來，進行英勇卓絕的抵抗。此時一面法國國旗插在城頭，聯軍不但從城外用梯子爬上來，還透過正門左側開啟的缺口湧進來。一時中斷的戰鬥重新開始，雙方進行激烈肉搏。
最終炮臺的大炮都沉寂下來了，只有一尊正對著中門的大炮在轟擊，一個炮手獨自操縱這門炮，他鑽在大炮下面裝填炮彈，然後爬出來開炮，但最後他也陣亡了，炮臺完全沉默了。聯軍衝進炮臺，直隸提督樂善率軍用鳥槍、弓矛奮勇殺敵，給聯軍很大殺傷，但樂善最終支撐不住，用腰刀自盡，壯烈殉國。
法軍翻譯官德里松寫道：“有一些人在我們攻佔炮臺前沒來得及跑，他們聚集在一個角落裡，一動不動地站著，他們把武器都扔了出來堆成一堆。天呀！這又是什麼樣的武器呢？有一些是火繩槍，樣子古怪，使用很不方便，沒有殺傷力。還有一些是弓、標槍和環刀，我們經常問自己，用這樣的武器，他們又為何能給我們帶來這麼大的危害呢？對我們來說，致命的不是他們的武器，而是他們的精神。”
最終，大沽口北岸炮臺徹底失守，清軍戰死近千人，聯軍死400人，僧格林沁認為單憑南岸守不住，當晚撤退到天津。
戰後《泰晤士報》對於中國軍任有很客觀的評價：在軍事藝術方面，中國人簡直一點知識也沒有，就連每個剛入伍的下級軍官都知道的攻擊方面最起碼的常識對他們來說都是了不起的知識，令使他們感到驚訝和困惑。他們的武器在自己人當中儘管算得上可怕的，然而要對付來復槍、野戰炮和其他炮彈就猶如地雷爆炸的臼炮，當然是不夠的了。然而我們卻要問一下，既然在紀律、戰略和武器上有這樣大的差距，那麼歐洲軍隊為何要費這麼大力氣才能對付他們呢？道理就在於中國人有作為好戰士的材料。
大沽就這樣失守了，英法聯軍乘勝直撲北京，在八里橋英法聯軍與清軍僧格林沁大戰。
