八里桥位于北京城东20余里，是由通州入京的咽喉之地。1860年9月17日，通州谈判彻底破裂后的第二天，英法联军先头部队即奉令自河西务推进到位于通州东南约二十里处、同是京城重要屏障的张家湾。
（一）战前的军事部署
当时，清军在张家湾、通州一带的部署情况是：僧格林沁的督师行营，设在通州与张家湾之间的郭家坟。由他统帅的马步兵17000人，驻守于张家湾至八里桥一线，扼守赴通州及京师广渠门（今建国门）的大道。副都统格绷额督带马队三千人驻守于张家湾的东面和南面。署直隶提督成保率绿营兵4000人防守通州。原驻防通州的礼部尚书瑞麟所统京营万余人及副都统伊勒东阿督带的马步队4000人防守八里桥，作为僧格林沁军的后援。此外又派驻张家湾西南约2000余人，以防敌军直接西进，绕道趋京。又有副都统胜保统率京营5000人驻守齐化门（今朝阳门）以东的定福庄，以便声援僧、瑞西军，保卫京师。
18日中午，联军即向张家湾阵地发起攻击，僧格林沁挥军抵抗，给敌人以沉重打击。当僧格林沁调派的马队抄袭敌人时，联军炮队突然发射火箭数百枚，以致初遭遇炮火袭击的马匹惊骇，回头奔驰，冲击步队，清军阵势顿时混乱，马步兵乱作一团，纷纷溃退。僧格林沁新部退守八里桥，驻守通州的绿营兵也随僧军撤走，以期在八里桥重新布防，挡住联军西去之路。
英法联军占据张家湾后，又十分顺利地随着清军的西撤而占据了通州城。
僧格林沁、瑞麟等十分清楚八里桥的防守对京师意味着什么。僧格林沁等之所以在张家湾失利后，未在通州逗留，截击敌人，很大程度上是为争取时间，重新布防八里桥，在八里桥与联军决一胜负，保卫八里桥，保卫京师。
自张家湾一带撤退的僧军和从通州撤退的绿营兵抵达八里桥后，防守八里桥的总兵力即刻增加到3万人，其中马队近万人。他们利用八里桥周围的灌木丛林，临时搭筑了战壕和土垒，并作好了战斗部署：令马队首先出击，尔后以由定福庄移至八里桥的胜保所部迎击南路联军，瑞麟部迎击东路联军，僧部迎击西路联军。所有步队均隐蔽在灌木林中和战壕里，待击杀敌；马队则向联军的左翼到右翼的宽大正面实施反冲锋。僧格林沁和瑞麟的部署不可谓不周密，但有两个明显的失误则是作为局内人的他们所不曾察觉的：其一，担负主攻八里桥任务的，是南路以科林诺为指挥的法军第2旅，而迎接南路之敌的不是强悍的僧军，而是相对薄弱的由定福庄移至八里桥的胜保部；其二，早在战前（9月19日），清廷曾告谕僧格林沁等：“拿获奸细，据供：逆夷用兵，马队在前，步卒在后，临阵则马队分张两翼，步卒分三层前进。前层踞地，中层微府，后层屹立，前层先行开枪，中层继之，后层又继之，我军若迎头轰击，马匹一经受伤，必然惊溃，惟有斜抄横击，轰毙必多等语。夷情凶悍，深知兵法，是在该大臣等审度形势，妥筹应敌，以操必胜之权。……若仅用正兵与之相角，恐夷人诡谲，不足以尽其变”（《廷寄三》；《筹办夷务始末》，咸丰朝）。清廷还一再强调派出的马队劲旅，一定要绕至敌后，于夜间轮番出击，使其自相惊忧，进退失据。我军趁此时机，利用熟悉地形方位等优势给敌人以痛击。但是，僧格林沁对此意见未给予应有的重视，不仅派出的马队没有绕道敌后，于夜间轮番出击，而且将马队派上宽大正面，对敌人实施反冲锋。事实证明，以上两大失误是八里桥保卫战失败的诸多因素中，不可被忽视的两大因素。
（二）八里桥之战
占领通州城的联军，在通州稍加休整后，即于21日凌晨4时，由骑兵在前开路向八里桥方向推进。上午7时，联军分东、西、南三路对八里桥清军阵地发起攻击。东路为雅曼指挥的法军第1旅，西路为格兰特直接指挥的英军。南路担负着主攻八里桥的重任，是科林诺指挥的法军第2旅。此次作战以法军为主，由法国人孟托班担任总指挥。
八里桥保卫战打响后，清军马队即按原定部署立即由正面冲上前去。他们奋不顾身，齐声大呼杀敌。由于火枪装备有限，就手持长矛、弓箭，凭着一腔热血迎击敌人，企图冲乱和割裂敌人的战斗队形。一部分骑兵冲至离敌人四五十米的地方，有的甚至冲到敌人的指挥部附近。激战一时许，毙伤千余敌人。清军马队因遭到据壕作战的联军步兵密集火力的阻击和敌炮散弹的轰击而大量伤亡，战马因受惊而横冲直闯，几近不能成军，被迫在敌人火力的逼使下退却下来。随后，南路的法军主力第2旅将大量的炮弹倾泻在八里桥上之后，给胜保部一沉重打击，致使胜保部伤亡惨重。当法军第2旅的两个前锋连队冲到桥边时，守卫石桥的清军士兵勇敢地冲出战壕与敌军展开了血刃战。后因胜保中弹受伤退下战阵，遂率军退至定福庄。法军对其穷追不舍，意欲一举以歼之，胜保又马不停蹄逃往北京。
当战斗打响以后，僧格林沁才知晓，主攻八里桥的是南路敌军，而不是西路敌军。为了弥补战前的决策失误，僧格林沁在胜保部与南路敌人战斗的同时，指挥马队穿插于敌人的南路与西路之间，企图分割敌人，尔后以步队配合胜保部包围南路敌人，歼灭敌人主力。由于胜保所部溃败，僧格林沁的作战意图未能实现，遂与西路英军展开英勇激战，双方伤亡惨重。上午9时，英军兵分两路，一部分继续与僧部对抗，一部分向于家围进攻，企图抄袭僧军后路。僧格林沁分兵无术，面临腹背受敌的险境，在这种情况下，他自乘骡车，撤队而出，退至朝阳门东边。
迎击东路敌军的瑞麟部则“于未阵之前，先已溃散”（赘漫野叟：《庚申夷氛纪略》），致使法军第一旅顺利地占领了八里桥以东的几个村庄，并协同法军第2旅攻占了八里桥。瑞麟部也逃到朝阳门东，与僧部会合后，一齐退至朝阳门。中午时分，联军在占领了八里桥附近的几处战略要地后，停止前进。至此，八里桥保卫已战以清军的失败而告结束。
八里桥血战是第二次鸦片战争期间清政府组织的最后一次抵抗。从客观条件上看，清军占有着极大优势：兵力上几多一倍于敌人，地形熟悉，通州平原便于马队驰骋冲杀，有人民群众和团练乡勇积极参战，掣肘敌人。而英法联军由海口孤军深入，战线拉长，粮弹供应困难，兵力相对分散，加之人地生疏，又失去了舰炮优势。清军具有战胜敌人的有利条件，作战也不可谓不勇敢，但战斗的结果仍是清军的败北。究其原因，首先是清廷的和战不定，造成前线将领的无所适从，严重影响其抗战的决心和准备。一旦战事失利，又立刻撤出战斗。其次是僧格林沁兵力部署的失误。他没能将主力布置在敌人主攻八里桥的必经之地，错误估计敌人兵力布置，进而将弱势的胜保部摆放在最关键的南路上。胜保部的失败，给清军造成了严重的被动局面，致使僧格林沁的补救措施未能发挥作用，终至全盘皆输。最后，在敌我武器装备上，清军远逊于联军。清军的杀敌斗志不可谓不高，但仅凭长矛和弓箭及有限的火器，难以抵得住敌人密集的火力攻击与敌炮散弹的轰击。
八里桥战役的失败，为英法侵略联军铺平了进京的道路，古老的北京面临着世纪的厄运！