7月14日联军占领天津后，内部矛盾重重，对何时进犯北京争吵不休。直到8月4日，各国联军约两万人，从天津出发进攻北京，其中日军约八千，俄军四千八百，英三千，美两千，法四百，意、奥不满一百人，德军没有参加。侵略军兵分两路，日、英、美军为右翼，沿北运河西岸前进；俄、法、意、奥军为左翼，沿北运河东岸推进。当时没有统帅，商定每晚各国头目开会，制定第二天作战方案。清军为阻敌前进，在北仓修筑阵地，决堤放水，淹没西沽、北仓间的大片地段，并在有些地方布了水雷和地雷。

义和团

次日，联军以日军为主进攻北仓。清军奋力抵御，毙伤敌军四百人，但北仓失陷。6日，英、俄、美军进攻杨村，清军迎战失利，裕禄自尽。清政府宣战后一个多星期，就指示驻外各使馆，要它们向各国政府保证，由它“设法相机自行惩办”义和团，并命令军机大臣兼武卫军统领荣禄派人到外国使馆商议停战，后来又一再向俄、日、英、法、德、美政府乞情，请求它们出面调停。但清政府的一切求和活动都没有结果。8月7日，清政府任命李鸿章为议和代表，电商各国停战，前线将领因而更无斗志。11日，联军逼近张家湾，帮办武卫军务大臣李秉衡自杀。12日，侵略军占领通州。次日，俄军率先进攻东便门，日军随即攻朝阳门、东直门。战斗都很激烈，大队清军前去增援。广渠门守备空虚，英军乘隙攻入。14日北京失陷。慈禧太后、光绪皇帝于次日清晨仓皇出逃。16日围攻西什库教堂的战斗结束。慈禧在流亡途中，颁布“剿匪”谕旨，通令各路官兵剿办义和团，要做到斩尽杀绝。联军占领北京后，大肆烧杀抢劫。除侵略军官兵外，传教士、外交官和侨民亦有参与掠劫者。北京许多房屋成了瓦砾堆，被杀者的尸体到处可见。八国联军将北京全城分为几个占领区，实行军事统治，镇压居民反抗。英、德、法等军继续派出部队，四出攻城略地。9月间，俄军占领北塘、唐山、秦皇岛等地，控制北京、天津到山海关铁路。德国元帅瓦德西又率领两万德军到中国，并任联军统帅。10月中，他派出德、英、法、意军队从北京、天津两路进攻保定。直到次年4月，瓦德西组织了四十六起“讨伐队”(其中三十三起为德军)四出侵扰，西至直晋边境的娘子关、紫荆关，西北到张家口，南到直鲁边境。所到之处烧杀掠劫，无恶不作。

东南互保 

当西摩统率联军两千余人从天津向北京进犯，遭到义和团阻击，与外界消息隔绝时，英国上海代总领事霍必澜于6月14日电告其外交大臣索尔斯伯理，建议英政府如果同北京政府决裂，最好与湖广、两江总督立即取得谅解。他相信张之洞、刘坤一如能得到英政府的有力支持，“必能尽力维持其辖区内的秩序”。索尔斯伯理复电采纳霍必澜的建议，授权他向刘、张等提出保证，如果决心“维持秩序”，就能得到英国军舰的全力支持。英海军部又电令在上海的高级海军将领派军舰到南京、汉口，传达英政府的决定。英国为了阻止群众起来响应北方义和团的反帝斗争，排除其他帝国主义乘机可能在长江流域扩充势力，决定利用地方当局保护它在中国的侵略利益。刘坤一、张之洞经过几度电商后，同意霍必澜的计划。大沽炮台失守的消息传来后，京广铁路督办盛宣怀竭力劝说刘坤一、张之洞赶紧与上海各国领事而不是单独同英国订约，成立所谓“东南互保”。刘坤一认为北方战事无法避免，电告张之洞及江苏、安徽、江西巡抚：“为今计惟有力任保护，稳住各国”，“事至危急，未可拘泥。”清政府宣战诏书发表后，两广总督李鸿章、刘坤一、张之洞相互约定扣押这道谕旨，防止泄漏消息。他们又以“矫诏”为由，拒绝执行朝廷的命令。