进攻大沽口，英法联军显然是有备而来。开战之前，英法联军就已经注意到天津一带的地理和水文情况不同于广州，海河不但水深不及珠江，入海口还有一道拦江沙。
根据这些情报，英法将用于进攻的海军主力改乘吃水较浅、机动灵活的蒸汽炮舰（艇），而大型舰艇则作为登陆部队的运输船。
反观清军，尽管大沽口的扼守海河入海口的4座炮台相继在两岸建立，但这种防御模式仍然是陈旧的，清军炮台在第一次鸦片战争中被绕后包抄的经验教训，几乎没有被应用到新建炮台的改进内容当中。
此外，咸丰年间的清朝枪炮技术并没有明显进步，清军所使用的兵丁鸟枪和土制前装炮与十余年前的装备并无二致。
清军似乎仍是1840年的清军，但1858年的英法联军已经日新月异。
此时的英军主要使用的是恩菲尔德1853型前装式线膛步枪，该步枪配备米涅弹药，采用火帽击发机制。这种步枪能够在400多米内集中火力射击，其弹头的终点动能能够在800多米距离内依然能造成杀伤。法军在当时则装备了米涅1857型步枪，其性能与英军的恩菲尔德步枪相媲美。
1858年5月20日上午8点，英法联军派出军官递交最后通牒，要求清军在两小时内交出炮台，谭廷襄对此不予理会，而是做好了作战准备。
10点左右，英法联军开始进攻，大沽口南北两岸炮台被英法联军各派3艘蒸汽炮艇轰击，双方随即进行激烈的炮战。
潜伏在唐山沙河口的“丰南号”安保队侦察连的副连长李九生带了一名安保队员，买了一艘渔民的小船，化妆成了渔民，远远的观察着英法联军的舰队阵型，也在远处观察两军交战的情况。
从未和洋人打过交道的北方清军在战斗之初表现得十分坚韧，其中一个炮位上甚至有29名炮手接连阵亡。
英法军队这些年一直在世界各地征战，军事水平远高于还在主要依赖冷兵器厮杀的清军军队。特别是火器操控上，比清军单兵素质高了不是一星半点。
双方的军事水平着实悬殊，清军虽然打得很激烈，但不管打出的炮弹多么多，但起效的却很少。本就低得可怜的命中率又被落后的火炮技术进一步拖累了，清军火炮只能在洋人军舰上打出一两个孔来，而不是如预想的那样一炮即沉。
比起英法舰船的坚固耐打，依靠石头垒土的清军炮台则呈现出一副惨不忍睹的景象：大沽口北炮台的三合土顶盖被彻底轰烂，南炮台的炮墙更是无一处不碎裂。清廷精心修建的、号称“北方最强”的炮台，在英法联军面前完全不堪一击。
在双方炮战的同时，5艘英舰运载着登陆部队进入了大沽口内，并以火炮支援登陆作战。中午11点15分，北炮台已经基本被联军炮火打至瘫痪，该处指挥官游击沙春元战死。失去了主心骨的清军随即一哄而散，英军旋即占领该地。
南炮台坚持至12点左右，伤亡累累的清军绿营兵率先溃散，临时征召来的民勇也随即溃败；在战线后方督战的谭廷襄等人，即使斩杀数名溃兵也没能遏制住溃败的势头。
清军溃散后，该地即被联军占领，而谭廷襄则率领高级官员一窝蜂地逃往天津。
炮台周围从没见过洋人的各路援军，即使有7000人之众，在得知两岸炮台友军惨败后，也集体溃逃了。大沽口及周边地区突然成了“不设防区域”。
在远处小渔船上观察的李九生不由得长叹一声，清军的心理素质真的太差，这仗没法和英法军人打。不过，李九生也是感叹，西洋人确实单兵军事素质可以，很多一看都是老兵。
尤其让李九生感慨的是，给英法军人当辅助的都是中国人，运送弹药、伤员，忙得不亦乐乎的人头上都盘着辫子。
如果没有这些中国人从事后勤，英法联军的整体战斗力会被打折扣。
看清军兵败已经成为定局，李九生两人划着小船向着海边撤退，远离战场后，回了潜伏的沙河口。
大沽口军事上的惨败，令咸丰皇帝不得不低头。1858年6月，咸丰紧急派出东阁大学士桂良、吏部尚书花沙纳为钦差大臣赴天津谈判。
然而咸丰帝又一次失望了：英法的态度始终强硬无比；俄国公使则装作站在清廷这边，提出若同意俄国的条件，就替清廷向英法说和。
无奈的桂良只得求助于伪善的俄国公使，俄国公使趁机诱骗桂良签订了《中俄天津条约》。差不多同时，黑龙江将军奕山也擅自与俄东西伯利亚总督穆拉维约夫，签订了《瑷珲条约》，割让黑龙江以北约60万平方公里的大片领土。
割地如此之多，简直是丧权辱国，但咸丰帝认为用几千里外的不毛之地换取俄国的人情很值得，于是指示桂良说：“今俄国已准五口通商(即《中俄天津条约》)，又在黑龙江定约(即《瑷珲条约》)，诸事皆定，理应为中国出力，向英法二国讲理……方能对得起中国。”
但国与国之间，有时只有赤裸裸的利益。得了好处的俄国人，一边在清廷面前装作要向英法说和；一边又支持英法两国，意欲捞取更多的利益。
大沽口之战的情报送到了粤西，沈云峰虽然早知道此战的结果，但是身在此世，心中不免还是有些悲愤。
《中国时报》刊载了大沽口之战的情况，没有提清廷，重点批评了清兵战斗力低下，畏战怕死。然后批判了汉奸行为，那些为列强做工的广州苦力团，那些卖粮食给列强的人，包括两江总督何桂清。
其实这些苦力这些人多是社会底层的底层，赤贫家庭的男人、游手好闲者、打零工者、流氓、地痞、小偷、职业骗子、大烟鬼等等。可惜，英军没有什么选择的余地，最终还是雇佣了他们。