7月9日，各国军队联合进攻海光寺一带，聂士成率部迎战，中炮阵亡，海光寺西局子被夺占。聂士成勇敢善战，与租界敌军恶战多次，为侵略军所惧惮。当时人记载称：“西人谓自与中国交战以来，从未遇此勇悍之兵。”聂士成战死后，所部步马三十营多半溃散，天津城防因此削弱。次日帮办北洋军务宋庆到天津主持战局。13日，联军大举进犯，炮轰天津城，全城大火。时俄、德军为一路，由俄军中将率领进攻东北角水师营炮台(黑炮台)；另一路由日、美、英、法、奥军组成，约五千人，由日本福岛少将任指挥，从海光寺直扑天津南门。南门外原是水塘和洼地，义和团掘堤放水，顿成一片泽国。马玉昆部和何永盛部练军，凭城固守，炮击敌军。义和团在城外濠沟里和芦苇丛中阻击敌人，战斗中击毙美军第九步兵团上校团长及其以下军官多名，打死八百余人。这是天津战役中最激烈的一次战斗。当晚，裕禄在马玉昆等保护下，逃到北仓。14日，日本工程兵轰塌南门，敌军从城墙缺口攻入天津城，黑炮台也为俄军占领。天津失陷后，侵略军大肆焚掠，残暴罪行，令人发指。

天津陷落后，俄军统帅召集各国高级军官开会，成立天津临时政府(即“天津都统衙门”)，企图由俄军上校担任行政首脑，其他国家表示反对，遂改由俄、英、日各派一名军官组成委员会(后来又增加德国军官一名)。这个机构对天津及其附近地区进行了长达两年的殖民统治，直到1902年8月被撤销。天津刚失陷，俄国即抢占海河东岸近六千亩地方，划为俄租界，超过原来英、法、德、日祖界的总面积。其他在天津没有租界的比利时、奥匈帝国、意大利要求建立租界，已占有租界的英、德、日则要求扩大，因此出现了帝国主义分割天津的局面。

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