在攻打天津的时候，联军的兵力已经达到17000余人，其中日军3800人、俄军6900人、英军2200人、美军1600人、法军1900人、德军500人、意军100人，奥军150人。随后，日本陆军第五师团共15000人，加上从第十一师团抽调的1000人，于7月14日来到天津。除此之外，各国前来增援的部队也正在途中，比如德国派出了7000陆军正杀气腾腾地赶来，而法国、英国、意大利等国的后续军队也都行驶在公海之上，不久即可到达天津。庚子年间，联军兵力最多的时候曾一度达到5万人。在当时的大沽口外，各国军舰云集，士兵、武器、粮食等补给正源源不断地从海上运到天津集结。在这次联军进攻北京的军事行动中，主要以日、俄、英、法、美五国军队为主，其中以日本和俄国出兵最多，而奥地利和意大利只是象征性地出兵；至于德国，其大部队则是在联军攻占北京后才到达的。不过，这虽然是一支临时拼凑起来的杂牌军，但由于其配备了当时世界上最先进的武器，因而数量是其数倍之多的清军仍旧不是其对手；至于义和团，那就更是毋庸赘言了。
在清廷下发宣战诏书后，在“胶州湾事件”中被革职的前山东巡抚、长江巡阅水师大臣李秉衡由江苏率军北上勤王，并于7月25日到达北京，慈禧太后大喜，便命他率另外4支勤王军，外加京城中的义和团一起赴京津间阻击联军。但是，李秉衡虽然名义上节制各军，但这些军队不仅战斗力不强，而且根本不服从李秉衡的指挥。至于那些义和团，虽然奉李秉衡为大师兄，但这些拿着引魂幡、混天大旗、雷火扇、阴阳瓶、九连环、如意钩、火牌、飞剑之类东西的乌合之众，即使上了战场，那也根本不起作用。等到联军杀过来的时候，各路军队不听指挥，纷纷夺路而逃。在混乱当中，清军刚一接战或根本未经战斗就被折去大半。李秉衡见大势已去，最后服毒自杀，可怜他一世清名，最后竟不得善终。就在李秉衡自杀的当天，主和的兵部尚书徐用仪、大学士联元和户部尚书立山也同时被杀，而吏部侍郎许景澄和太常寺卿袁昶在7月底也因主张和议被杀。半月之内，连杀五大臣，罪名都是里通洋人。在混乱中，连荣禄、王文韶等人也险遭载漪“太子党”的暗算。8月12日，联军进抵通州，宋庆等部再次战败溃散。
此时北京已经是门户洞开，在城中也能听到隐隐炮声。8月13日，董福祥率甘军迎战联军于广渠门，大败后军纪失控，竟至于纵兵大掠，导致城内未战先乱。13日晚，电闪雷鸣，风雨骤至，天气忽然变得极为恶劣。各国军队到达北京城外的时候，整个北京城一片风雨飘摇，狂风大作。由于天气缘故，联军暂时停止了进攻。短暂休战的北京城，安静得让人害怕。8月14日清晨，俄军率先攻破东便门冲进城内，由此最先进入北京城。日军进攻东直门和朝阳门，也在当天清晨入城；法军听说北京城破，也急忙赶来匆匆入城；英军则从广渠门进入北京城。令人心酸的是，在城破后，里面的人见了英国的雇佣兵（印度兵），竟然还有人以为是甘肃的回部救兵来了（因其缠头习俗）。是日，百官无入朝者。新任工部尚书的徐会澧前去宫中谢恩，到神武门的时候，听到哭声一片，宫中人纷纷逃出，才知道北京城破。当时的北京城分成外城（主要由汉人居住）、内城（主要由满人居住）和紫禁城（皇族）三个圈，每个圈都有高大的城墙。使馆区位于北京内城，要想正面进入的话还需要继续攻破内城城墙。
这时，英军中有一支来自威海的华勇营（八国联军中有数支华人雇佣军，说来也颇令人心酸），其中便有人知道一条捷径，那就是通过流经内城的玉河水门下水道可以直接通往使馆区。由此，英军虽然进城最晚，却是最早到达使馆区的。据记载，美军指挥官查飞将军率部来到使馆区外，一个在城墙上守卫使馆的士兵向他喊道：“你是及时雨，我们欢迎你！”查飞问：“从哪里进去？”士兵们齐声说：“从下水道进来！”查飞失望地望了望周围，只得低头钻进了那个大洞，那是一个敞口的下水道。令联军部队惊讶的是，他们原本以为“这些被围困的人应当是筋疲力尽、饥肠辘辘、衣衫褴褛，或者是受了伤甚至气息奄奄或者根本就已经死亡了”。但实际上，当他们进入使馆区的时候，“绅士们衣着得体地出现在眼前，许多人，如窦纳乐、萨瓦戈和康格都新刮了胡子，虽然穿着便装，但都整整齐齐的；女士们则穿着优雅的夏装，戴着帽子、打着洋伞。联军中有人开玩笑地说：”我们是不是意外地走进了一个宴会会场？“相比之下，反倒是那些”解放军“寒酸多了，他们大都蓬头垢面，军装上沾满了泥土和汗水，皱巴巴地挂在身上。这大概就是使馆被围攻的真相。
在联军开始逼近北京的时候，这时的慈禧太后也开始要为自己打算一下了。在8月10日后，慈禧太后已经考虑到出城逃亡的可能，但因为事情仓促，一时间没有那么多的车辆，只能把这事先放一放。但仅仅过了3天，八国联军便已经杀到北京的郊外，在宫中都能听到城外隆隆的炮声。慈禧太后意识到，局势已经是无可扭转了。8月14日的清晨，正当联军向北京外城发动猛烈攻击的时候，慈禧太后紧急召见各王公大臣，但此时北京城早已是一片混乱，慈禧太后连召数次，后来也只有王文韶、刚毅、赵舒翘三人匆匆赶来见驾。在当时的混乱情况下，慈禧太后伤心得不得了：”现在只剩你们三人在此，其余都各自逃生，丢下我们母子二人不管了！我们马上要出城，你们三人务须随驾同行！“随后，慈禧太后见王文韶已经是一大把年纪了，便说：”你年纪这么大，尚要你吃此辛苦，我心不安，你可随后赶来。他二人素能骑马，必须随驾同行。“当晚，北京城内枪炮声不绝，城内的清军仍旧在与联军展开激战，而使馆区在这天下午已经解围，只不过联军尚未向紫禁城发动进攻。在度过一个惊恐不安的夜晚后，总算挨到了8月15日的清晨。
天还没有完全放亮，慈禧太后就穿着普通青衣，一身农妇打扮，边走边哭，踉踉跄跄地从宫中逃出。光绪帝及皇后等也都衣裳单薄，一直跟着走到西华门外，才弄了辆骡车坐上。当时跟着出逃的王公大臣们也不多，只有载漪、载勋、载澜、刚毅、赵舒翘等人，他们也都一路步行跟着，出安定门后往西逃生。慈禧太后出逃的时候，只带上了李莲英等少数人而抛弃了宫中的绝大多数太监和宫女，她下令让这些人自行解散，各谋生路。太后一走，宫中立刻乱成一团，场面狼藉一片。
由于太监和宫女们长年生活在宫中，这些人没有生活自理能力，一旦离开宫廷，大都走投无路，后来上吊的上吊，投井的投井，服毒的服毒，各种各样，自杀的数以百计。临走之前，慈禧太后特意命将光绪最宠爱的珍妃处死。据说当时太监们不敢动手，宫内二总管崔玉贵说，都是些没用的小子，于是竟强拉珍妃到井口，珍妃跪在地上，要求见老佛爷一面再死。崔玉贵狞笑着说：”没那些说的，就是老佛爷要你死的。“说完便一脚把珍妃踢入井里，然后又往井里丢石头。次年光绪回到皇宫，这才知道珍妃惨死的真相。后有人赋诗曰：”金井一叶坠，凄凉瑶殿旁。残枝未零落，映日有辉光。沟水空流恨，霓裳与断肠。何如泽畔草，犹得宿鸳鸯。“其中便暗指珍妃坠井一事。
