一、清軍在津京間的防禦部署
天津失陷後，清廷一面令從天津撤離的部隊在北倉、楊村等地設防，一面調派其它部隊增強北京及其附近地區的防禦。其時，馬玉昆部十五營、聶士成餘部四營、呂本元部五營、何永盛部五營、安衛軍二營共約一萬五千人退至北倉，宋慶部十三營退至楊村。蘆台有武衛前軍馮義和部十七營、胡殿甲部五營；北塘守軍如前。此外，部分勤王之師也陸續到達：楊柳青有記名總兵蔣尚鈞部豫軍五營，北京附近有湖北提督張春發部武衛先鋒左翼十營，江西按察使陳澤霖部武衛先鋒右翼十營，總兵夏辛酉部嵩武軍六營，總兵萬本華部晉威軍四營，陝西布政使升允部陝軍八營，甘肅布政使岑春煊部甘軍六營，北京城內有駐軍六七萬人。總計京津間兵力不下十萬。此外，還有義和團七萬餘人，其中北京城內約有五萬，另二萬餘人分散在津京間的交通沿線。
為阻止聯軍沿北運河北上，退至北倉一帶的清軍萬餘人在馬玉昆的統率下，於北倉以南橫跨運河構築了兩道防禦陣地。第一道由劉家擺渡（今劉家碼頭）、韓家樹（今韓家墅）、火藥局（今楊家咀附近）、劉家房、唐家灣、穆莊（今天穆村）等據點組成，構築了火炮陣地，埋設了地雷，由武衛左軍、武衛前軍及淮軍、練軍等九千人防守。第二道以北倉南的王莊為中心，構築向左右各延伸三公里的壘牆，並在各要隘埋設地雷。在北倉東南和西北構築了火炮陣地，分別配置十門和十四門火炮。北倉東南地勢空曠，於馬家莊築壩開溝，引水淹灌。第二道陣地由武衛左軍四五千人防守。此外，北倉附近尚有一二千人作為預備隊。
宋慶以楊村車站為中心，跨北運河構築了正面約五公里長的壘牆，由五千人駐守；並沉大船二三十隻於運河中，以堵塞水道。
7月18日，清廷派翼長長麟、文瑞分統北京義和團兩千餘人前往通州及其以南地區，挖壕築壘，令其「扼要助剿，勿任敵兵北犯」１。
二、聯軍北犯
八國聯軍佔領天津後，立即派兵佔據各要隘、炮台，修整工事，防禦清軍及義和團的反攻，並成立「都統衙門」２，以維護其侵略秩序。同時，繼續調兵遣將，準備進犯北京。
7月底8月初，聯軍在天津的兵力已增至三萬四千人，北上作戰的準備工作基本就緒。8月3日，侵略軍召開指揮官會議，協調了彼此間的意見，擬定了進攻北京的計劃，準備集中兵力，攻佔北運河兩岸各戰略要點，最後奪取北京城。
8月4日夜，聯軍除以部分兵力留守天津、大沽等地外，集中一萬八千餘人及八十一門火炮，從天津出發，沿北運河兩岸向北倉進犯。運河右岸為日、英、美軍，共一萬三千二百二十人，攜帶火炮五十三門；左岸為俄、德、法、意、奧軍，共四千八百五十四人，攜帶火炮二十八門。8月5日2時許，聯軍接近並進攻清軍第一道防禦陣地的劉家擺渡、韓家樹、火藥局等據點。清軍稍事還擊，即潰散撤退。5時左右，第一道防禦陣地即被敵攻佔。之後，日軍從西側，英軍從中部，美軍為後援，進攻清軍的第二道防禦陣地。日軍由西側「繞道十餘里，出馬軍後」，馬玉昆部「盡失其險」。１在聯軍前後夾擊下，清軍腹背受敵，且戰且退。當清軍同聯軍接戰時，附近義和團數千人趕來助戰，雖然給聯軍以不小的打擊，但也未能阻止敵人的進攻。當日上午9時，北倉防線及北倉據點全被敵人攻佔。北運河左岸的聯軍因徒涉水淹地，行動遲緩，戰鬥結束後才趕到北倉。此戰，聯軍共死九十五人，傷五百四十人。
8月6日晨，聯軍乘勝分路進攻楊村的清軍陣地。俄、法軍攻清軍右翼，美軍攻左翼，英軍從正面進攻，日軍為後應。宋慶軍一觸即潰，與馬玉昆殘部一起，向通州方向敗退。直隸總督裕祿逃至南蔡村後，自殺而死。8月8日，南蔡村失守。
在清軍丟失北倉、楊村前，清政府命李秉衡統率「勤王師」前往河西務禦敵。李秉衡曾任山東巡撫，奉命進京前為巡閱長江水師大臣。7月25日陛見慈禧時，他自動請求赴前線殺敵。次日，清政府即任命他為幫辦武衛軍事務大臣，「所有張春發、陳澤霖、萬本華、夏辛酉四軍均歸該大臣節制」２。8月6日，李秉衡率四軍離京，7日抵馬頭，8日抵河西務。李秉衡令張春發部十營、萬本華部四營駐守河西務；陳澤霖部十營駐守河西務西側；自率夏辛酉部六營駐守河西務西北八里之羊房。9日晨，清軍防禦陣地尚未構築完畢，兩路聯軍即已包抄河西務。戰鬥打響後，張春發部稍戰即退南苑，陳澤霖部也大部潰逃。萬本華部雖同聯軍接戰多時，但因兵力不足，無法擊退聯軍的進攻。李秉衡督率夏辛酉部迎敵，升允也率馬隊兩旗助戰，經激戰後均退馬頭。馬玉昆率敗退的清軍路過河西務，竟遇敵不戰，一直潰逃到南苑。該部同宋慶敗軍一起，沿途焚掠洗劫，人民深受其害。李秉衡目睹數萬清軍不戰而逃，頗為憤慨，但又無法阻止。8月10日，李秉衡由馬頭退至張家灣，次日即吞金自殺。聯軍隨即奪占張家灣，並派兵襲擊通州。該城守軍有險不守，棄城逃京。
8月12日晨，聯軍不戰而據通州，盡獲庫中軍械、糧餉。除留德、法軍一部駐守外，聯軍直撲北京。
從8月5日至12日八天之內，不足兩萬人的侵略軍竟然連續攻佔了數萬清軍防守的北倉、楊村、河西務、通州等戰略要地，直接威脅北京。這種情況的出現，主要是清軍已被失敗情緒所支配，戰術上又採取了分兵守點的單純防禦，同時，各要點未構築起足以阻敵前進的堅固陣地，結果在敵人併力猛攻下全線崩潰。李秉衡雖請纓上陣，無奈軍心已散，所統各軍又皆臨時應命之師，不能同心協力禦敵，以致無法挽回敗局。
三、北京的陷落
通州失守後，清軍七八萬人齊集北京：宋慶、馬玉昆部萬餘人駐南苑；董福祥部二十五營駐廣渠門、朝陽門、東直門；榮祿部三十營駐西華門、棋盤街；八旗、綠營兩萬餘人駐內城九門、外城七門；虎神營、神機營等三十九營駐守各門城樓；八旗前鋒和護軍守紫禁城。義和團五萬餘人分別守衛東西河沿、東西珠市口、菜市口、花兒市等六大區。全部城防由榮祿負責，與徐桐、崇綺、奕訢、載漪等共商重大事宜，實際上沒有形成統一的指揮。
8月13日夜，聯軍一萬五千餘人攜火炮百餘門，分三路冒雨進逼北京：日軍七千二百人，攜火炮五十四門，從通州出發，經八里橋、定福莊、紅廟、關東店，先頭部隊於14日7時半抵達朝陽門外東嶽廟附近；俄軍三千四百八十人，攜火炮二十二門，沿通惠河北岸經八里莊、八王墳、郎家園，於14日黎明前抵近東便門；英軍兩千二百五十人，攜火炮十三門，沿通惠河南岸經蘇家溝、關廂附近，於14日上午11時抵近廣渠門；美軍一千八百二十人，攜火炮六門，隨英軍後開進；法軍四百人，攜火炮十八門，循俄軍路線開進。另有三千聯軍從天津出發，以為後援。
俄軍先頭部隊於8月13日午夜到達東便門，因途中未遇任何抵抗，認為可以輕取城門，遂提前攻城；詎料清軍和義和團「守護極嚴，急切未能得手」１，只得向日軍求援。日軍派步兵一個大隊前往助攻。日軍於14日上午8時在朝陽門、東直門外一千五百米處開炮轟城，遭清軍炮火還擊。董福祥在得知上述三門受到攻擊後，即調廣渠門守軍往援。上午11時左右，英軍抵廣渠門，乘虛攻城，14時進入城內。英軍得知水門處河道枯涸，便涉淤泥進入內城，15時左右首抵使館區，並分兵一部佔領天壇。美軍隨英軍之後，於17時許進入使館區。進攻東便門的俄軍在部分美軍配合下，一部於14日午後從城門洞隙處匍匐而入，一部攀上城牆，打退守軍，進入城內。進攻東直門的日軍，不斷以炮火猛烈轟城（發彈萬餘發），摧毀城牆上的清軍火炮；然後派兩個工兵隊攜帶炸藥包，於21時許對第一、第二門連續爆破，21時40分佔領東直門。接著，日軍北占安定門，南攻朝陽門，於22時許破門進入城內。法軍也於14日午夜入城。聯軍入城後，被圍近兩個月的使館區及西什庫教堂之圍隨之解除。
8月14日，在京城即將被聯軍攻破時，慈禧欲召集六部九卿議事，但無一人應召，只得同入值大臣載瀾商量出走事宜，並令載瀾護衛。載瀾借口無兵而推辭，並建議張白旗投降。8月15日晨，當聯軍進攻東華門時，慈禧挾持光緒帝出逃，分別著青衣素服，同載瀾、載漪、奕訢、剛毅等王公大臣以及內監李蓮英等人，在兩千餘名八旗兵的護衛下，倉皇出西華門和德勝門，經頤和園、居庸關等處，往太原方向出走。
聯軍進城後，清軍大部潰散，僅義和團和部分愛國官兵築起街壘，繼續同侵略軍戰鬥。8月15、16日，聯軍攻佔了各城門和紫禁城，17日佔領全城。
此役，聯軍死傷四百五十餘人，內有校以上軍官二十五人。清軍傷亡四千餘人，義和團民犧牲甚眾。
聯軍攻陷北京後，縱兵搶劫三日，皇宮、官邰住宅、商店無一倖免。「自元明以來之積蓄，上自典章文物，下至國寶奇珍，掃地遂頸１。尚留在城內的義和團及不少無辜百姓，慘遭屠殺。侵略者無惡不作，奸婬擄掠之事，不可勝計。隨後，聯軍成立「北京管理委員會」，將京城劃為十一區，分別由各國侵略軍佔領。同時，聯軍繼續增兵，加強京津間戰略要地的守衛，並對北京周圍五十公里以內的重要村鎮巡迴掃蕩，沙河、八大寺、玉泉山、蘆溝橋、良鄉、龐各莊、禮賢鎮等地先後被佔。為了便於控制，聯軍在佔領區內迅速恢復了鐵路交通和通信聯絡。
9月25日，聯軍總司令瓦德西到達大沽，10月17日進京，設總司令部於紫禁城的儀鑾殿。此時，聯軍在華兵力已逾十萬，駐京部隊超過三萬人。
防守北京城的清軍四倍於敵，但在數日之內，清王朝的統治中心竟落敵手。之所以如此，除了清廷政治腐敗，軍隊士氣不振這一根本原因外，從防禦部署看，主要存在以下問題：首先，沒有在聯軍進攻方向的正面和兩側集結必要兵力，阻擊和側擊敵人，而是將七八萬兵力密集於城區，使聯軍得以長驅直進，迅速兵臨城下。其次，清軍雖然裝備了不少近代槍炮，但其守城戰術仍然是過去的一套舊法，以八千名士兵分別守衛各城門的城樓和城垛，將近九百門新舊火炮配置於城上，冀以居高臨下的炮擊，阻止聯軍的進攻。結果，城上火炮被敵炮擊毀，城牆遭敵工兵連續爆破，無險可守。城內各區守軍，也因沒有在主要通道口構築巷戰工事，以致東三門被聯軍突破後，全城很快淪陷。此外，北京的失守，還在於缺乏有權威、會指揮的最高統帥，以致各部分區防守，互不統屬，互不策應。結果，東城各門被聯軍分別攻破，其它各門、各區的守軍也很快不戰而散。