当聂军进攻天津租界后，义和团才出阵助战。聂士成对义和团极为不满，尤其认为倡议灭洋酿祸开衅的是义和团，可是在正式和洋兵开战时，真正抗洋的则是聂军，因此聂士成非常冲动，有一日和洋兵恶战后归营，忽然下令说：“今晚全力进攻团匪，明日再战洋人。”于是聂军四出，击杀义和团千余人，双方更成死敌。第二天聂军正和洋军苦战时，义和团出动了数十人驰赴聂寓，把聂士成家属全部掳走。
这时聂士成的处境实在困难极了，因为洋兵大举增援，聂军正和洋军苦战，甫告休战，忽听到自己家中老少被义和团劫走，于是引兵前往追寻。聂军移动时义和团乃狂呼说“聂军反了！”在聂军后防的清军竟发枪向聂军阻击，聂军因之腹背受敌，进退失据。
六月初四日武卫前军马玉昆来津增援，聂军和马军协同作战，又苦战了十天。
六月十三日晨直隶总督裕禄召见聂士成，聂应召赴制台衙门。裕禄未开中门，聂心知有异，及入督署，裕禄在书衙房内立候，脸色非常难看，手持一份电报，见聂后即将电报付聂。电报上是上谕：聂士成新法练军，擅杀爱国分子，着即正法。聂读毕即跪下。裕禄这时安慰聂说，上谕如此，其幕后原因不知。嘱聂再出战，如果战胜，裕禄即可力保。聂士成辞出后，穿朝衣补褂驰赴前线督军奋战，在八里台苦战一昼夜，没有饭吃，又没有睡眠，士兵死伤无算。洋兵用望远镜遥看，见清军中有人着补褂，知为大官，遂用炮轰，聂遂以身殉国，腹裂肠出。其部将统领周玉如、姚良才，营官徐照德、宋得胜都血战阵亡。聂尸入殓时仅清兵廿余人系白带送丧，天津文武官无一人临唁。直到袁世凯出任直隶总督时，聂的冤枉才告大白。
天津之战剧烈进行时，清廷已调李鸿章接任直隶总督兼北洋大臣，并派宋庆为帮办北洋军务大臣，可是李鸿章到了上海不肯北来，而天津已难抗守了。
六月十八日，经过了三天血战，日兵首先攻入城门，天津遂告陷落，裕禄自杀。
洋兵占领天津后，军纪甚坏，烧杀抢掠无所不为，尤以俄、法两国兵最残暴不通情理，德国兵亦甚横行，比较来说英、美、日三国士兵没有什么大滋扰。最恶作剧的是在街上专拉斯文人，令其拉人力车，洋兵则坐车上，有时还要拉车人戴了红顶花翎帽子。
六月廿三日，联军集合于天津，准备向清朝首都北京进发，联军人数约3．4万余人，内有俄军1万人，日军9000人，英军6000人，法军2600人，美军2500人，德国4000人，奥意军各150人。
洋兵由天津出发，第一站遭遇的清军阵地是北仓和杨村。在这一带清朝有重兵据守，由慈禧钦派李秉衡前来督师。当六月上旬，都城中一片沉重空气，李秉衡奉诏赶入宫中谒见太后，太后要他统领大兵，他亦欣然应允，慷慨誓师，这时天津已失陷，他于是驰至杨村部署一切。
攻占北仓是以日军为主，接着乘胜向杨村进击。联军分为三路，俄、法两军攻左面，美军攻右面，英军攻中部，日军则在右后方应援。清军在杨村不若在北仓那样顽抗，因此联军只花费了半天时间就把杨村攻克。
清军唯一阻遏洋兵由天津进向北京的一条防线崩溃，李秉衡自杀殉国。
在北中国，这是个炎夏季节，洋兵虽然得心应手，攻占了大沽、天津、北仓、杨村，但也感到非常疲惫。不过，兵贵神速，七月二日联军各将领在杨村举行了一次会议，认为清兵锐气已坠，败不成军，必须疾驰前进，否则援军赶来，则攻占北京实非易事，而如果不能攻占北京，则战争就不能够胜利结束。于是疲惫的洋兵仅休息了一日，第二天就马不停蹄地向北京前进。
八国联军向清朝首都进迫，东南各省督抚便联合起来倡议自保自全，这一观念见于行动始自袁世凯。袁受任山东巡抚时，山东本是义和团崛起的发源地，又历经前面两任巡抚李秉衡和毓贤的鼓励，可是袁在山东不动声色地就把拳民赶出山东，因此整个拳变期间山东全境没有战争，也没有洋人洋教士被杀的事。袁世凯在东南各省总督巡抚的眼中虽是后辈，但他的才识和远见已经令到那些前辈刮目相看了。
东南各省督抚自拳变以来，就以电报往还，协商如何保境安民，同时亦敦促政府，希望补救。光绪廿六年（1900年）五月廿四日张之洞、刘坤一、袁世凯、李秉衡、鹿傅霖、王之春、松寿、于荫森、俞廉三等联名致电荣禄，这封电报分递两处，一呈总署，一呈荣禄。荣禄曾把这电奏呈慈禧，但太后没有采纳。后来李秉衡入京受命统军时，慈禧曾问起他为何列名在这封电报上，他则否认，并说是刘坤一等冒加他名，他未同意云。这封电报如下：
“各国洋电皆以拳匪妄杀开衅，我不速剿，致动众怒，日本电谓，若肯剿匪，尚有转机，京城危急，北望焦灼。查拳匪符咒惑人，传教煽动，实不能避枪炮，嘉庆十三年久经谕禁，若真系直隶义民，何以陕西人李来中为首，是为邪教，应剿一也。不遵诏旨解散，京外乱杀，华洋均受其害，且挟钦使，擅杀新城、涞水两知县，目无法纪，是为乱民，应剿二也。旗书扶清灭洋，乃各省会匪故套，若助朝廷，何以抗旨。北自京城，东至天津，西至保定，南至河间，周围千余里均被滋扰，勒派供粮，其中不尽教民，亦滥焚杀，畿辅灾旱，民不聊生，是为土匪，应剿三也。毁坏国家所设电线铁路，值数百万，阻诏奏，误军行，又焚毁京外洋房民房无算，是为劫盗，应剿四也。即不与各国开衅亦应痛剿，况无故戕害洋人洋房，杀日本参赞。今海口已被占夺，都城满布洋兵，增兵增舰，日来日多，祸在眉睫，直不忍言，从古无国内乱民横行惨杀而可以治国者，亦未闻一国无故与六七国一同开衅而可以自全者，即英俄强国，亦断不能受各国并力之攻，况官兵弹药有限，鏖战日久，我无接济之械，彼增数倍之兵，江海各口俱封，各国分路攻扰，全局糜烂，如何支持。拳匪无械无纪，在东在直皆不能敌官兵，近日在落垡被洋兵击毙无数，在东交民巷又被洋兵击败，未见其能避枪炮，若谓乌合乱匪能与大队洋兵抗战，断无此事。仰恳皇太后圣断，念宗社之重，速持定见，勿信妄言，明降谕旨，力剿邪匪，严禁暴军，不准滋事。速安慰各使馆，力言决无失和之意，告以已召李鸿章，李到当与各国妥商办法。闻美国在大沽并未开炮，先托美使调停，劝令停兵息战，我方好专力剿匪，并请速发电旨，述皇太后皇上之意，饬驻各国使臣，令向外部道歉，日本被戕参赞优加抚恤，力任以后保护。明谕各省洋商教士，众怒稍平，庶可徐商挽救。宗社安危所关，间不容发，再过数日，大决裂，悔无及矣。焦急惶悚，秉衡等意见相同，谨合词吁请圣鉴，请代奏。”
此电拍发时，各督抚尚不知德国公使克林德已在先一日被戕于北京。
上海《申报》于光绪廿六年（1900年）六月初八日曾有一则译自《字林西报》的消息：“目下东南督抚大员，无不以联络邦交、剿匪安民为宗旨，曾备文照会各国驻沪领事，略谓：本部堂、本部院今已议定，无论北省有何举动，总当按照和约，力保各国官商，不使土匪横行，有伤各国旅人身家性命。惟各国须遣兵北上剿匪，不得调动大军至东南各省，致百姓骚扰，匪人伺隙滋生事端云。”
各省督抚和美英日等国首先接触的，是两湖总督张之洞，接着是两江总督刘坤一，而李鸿章则已奉调再度接任直隶总督，离开广东，到了上海。张之洞在五月廿六日曾有急电拍发给清廷驻美公使伍廷芳、驻英公使罗丰禄、驻日公使李盛铎，请他们分别译转各国政府。电文曰：“北方拳匪违旨滋事，各国人口物业致遭损害，京内京外数百里，华商华民财产焚毁亿万。至戕杀日本使馆随员乃各官办理不善之故，实非朝廷意料所及。现在我皇太后皇上已电召李鸿章来京，必使与各国妥商办理，免致失和。惟李中堂抵津，尚须半月，而各国日内进兵不已，设或再有战事，将来更难转圜，徒令各匪乘机肆恶，良民多遭惨害。今各省督抚并未奉有开战谕旨，可见朝廷并无失和之意，务望婉劝各国政府，迅电天津各兵官，力劝各国，暂行按兵停战，俟李中堂到京请旨开议，必当妥为了结，不启战祸，官兵方能专力剿匪。目下长江沿海一带，各督力任保护之责，诸国洋人均可无庸顾虑。若天津再有战事，则南方必将牵动，事机危迫，务祈迅饬施行，各省督抚意见相同，亦即有电达各国各部矣。”
美国国务院于1900年6月22日（即光绪廿六年五月廿六日）有一个备忘录给美国政府，备忘录说：“中国公使今早来访，把适才收到的两湖总督张之洞电文的大意，通知了国务卿，这和昨天收到的刘坤一电文大意相似。他说东南诸省现在平静，他和刘坤一是完全能而且决定要维持和平，并且在他统辖下的五省内，制止对于外人任何的危害。他请求美国方面要电示美司令官在这些省份内，当和平尚未破裂的时候，不要派遣任何军队或海军进入扬子江，并且要我们和其他各国开会，请求采取同样的步骤。伍廷芳先生希望美国在此点上的决定，尽可能的赶快通知他”。同一天美国务卿海约翰给清公使伍廷芳一函：“您给我的张之洞、刘坤一两总督的电报我已经呈给了总统。他对于电报内所提的保证，就是这些出色的封疆大吏们，决定而且相信他们的力量能够维持他们省份内的秩序，以及保护在他们管辖下的外人生命与权利的几点，很是高兴。他授权给我来对您保证，在做到这种情形时，他就无意派遣任何陆海军到不需要他们的地方。我高兴地通知您，我已经把总督们的保证，连同我对您的复文，通知了我们驻伦敦、巴黎、圣彼得堡及日本的代表。”
十五、八国联军攻占北京
光绪廿六年（1900年）七月十八日，八国联军已经越过了通州向北京进发，董福祥率领他的武卫后军围攻使馆已一月余，东交民巷使馆区竟以寡敌众，坚守待援。慈禧在深宫中获知李秉衡兵败战死，哭了起来，对王公大臣们说：“我们母子怎么办？你们说说看！”可是这时没有一个大臣说得出话来，大家相顾愕然。
七月十九日董福祥在广渠门和英美军接触，日俄军则攻至北京内城。廿日黎明，洋兵自广渠门、朝阳门、东便门入。英军占领天坛。董福祥自彰义门出走，纵兵大掠。董福祥作战甚勇，可惜既无政治认识，又无修养，当时慈禧倚他为重镇，岂能不败。据说他在北京时，根本不把荣禄放在眼中，有一次荣禄宴请武卫军各将领，他在席中竟呼荣禄的号“仲华”。在他围攻东交民巷使馆区时，曾问荣禄索借大炮，荣禄坚予拒绝，所以拳变时期，荣禄和董福祥相处甚坏。
廿一日北京城陷，八国联军陆续进据京城，这时北京城内多成瓦砾之区，尤以东交民巷附近为甚。
八国联军攻占北京是军事行动的最高峰。这次战役实际作战者，计日军步兵6600人，骑兵220人，工兵450人，大炮53尊；俄军步兵1830人 ，骑兵180人，大炮22尊；英军步兵1600人，海军150人，骑兵75人，大炮6尊；法国步兵4000人，大炮16尊；其他约2000人。
清兵在内城的抵抗比较激烈。联军方面以日军进攻最猛勇，所以日军死亡亦较多，大约伤亡200余人，俄军亦伤亡131人，美军伤亡40余人，法军伤亡9人，英军伤亡6人，总计约400余人。清兵守城的大约是3万多人，伤亡之数约4000人。
由于联军攻入北京，所以东交民巷使馆区也随之解围，还有许多孤立的天主教堂被围困，也因之得救。东交民巷被困将近50日，包括各国外交文员在内，能够作战的只有820余人，担任日夜轮流守卫，靠以抵抗的武器仅有美国大炮一尊、奥国大炮一尊、意国大炮一尊、挪威大炮一尊，还有50年前的大炮一尊，是临时在古董店买来的，安置在俄国炮架上，贮有意国火药发射。东交民巷的战斗，洋人兵士死了54人，伤了112人，文员死了11人，伤了19人。
八国联军占领北京后，乃分段划治，由英俄日美法德各军共同占领。
北京城陷前一日——七月二十日，慈禧召见大学士、六部、九卿，已无一人应召，太后对载澜说：“事已至此，惟有走了，你们还可为我侍卫吗？”这时大炮声隆隆，喜雀胡同一带流弹如雨，天安门和西长安门已相继失守。
晚间在宫中只有三位军机大臣，是王文韶、刚毅和赵舒翘，慈禧凄怆地说：“怎么，只有你们三人在此。其他的人都回家了，留下我母子三人不管，你们三人必定要随我母子同行。”又对王文韶�