联军攻占大沽口后，大肆进行烧杀抢掠，他们把无辜平民驱赶到一起，用火炮、排枪轰击，烧毁居民住宅，大沽口一带一片废墟。大沽口失守后，罗荣光带伤退至天津，当看到镇守无望，在天津陷落之前，他悲愤地服毒殉国。
登陆联军的第二个目标便是集中兵力进攻天津。天津距大沽口100多里，战略地位更为重要，占据天津即可保住大沽口，而且由此可以直接威胁清政府首府北京。
当时登陆联军的总兵力为，德国军官44人，士兵1300人；英国军官184人，士兵1700人；日本军官119人，士兵3709人；俄国军官117人，士兵5817人；法国军官17人，士兵387人；美国军官20人，士兵329人；意大利军官7人，士兵113人；奥地利军官12人，士兵127人。总计军官520人，士兵13500人。携带野战炮53门，机关枪36挺。另外，除登陆联军，在天津租界地已有2400多名各国军队盘踞。此时天津守军聂士成的武卫前军有7000人左右，另有直隶练军四营，义和团有团众3万人，森严壁垒，天津一战迫在眉睫。
在如此危急关头，总理各国事务衙门大臣载漪向慈禧密奏各国公使照会四条：一、指明一地令中国皇帝居住。二、代收各省钱粮。三、代掌天下兵权。四、勒令皇太后归政。其他三条姑且不论，第四条让慈禧交出大权，这无异于要慈禧的命。慈禧立即震怒，狂呼“是可忍，孰不可忍！”6月16日至19日，慈禧召集王公大臣，六部九卿，连续召开四次御前会议，商讨对策。其间主战派与主和派进行了唇枪舌剑的辩论。载漪、载勋、刚毅、载澜等主战，用义和团抗击联军，以维护慈禧岌岌可危的封建统治；光绪帝则主和，由于大权旁落，他幻想着通过八军联军削弱慈禧的势力，依靠八国联军重掌政权。众大臣中徐用仪、袁昶、王文昭、许景澄等人也主和，他们怯弱地说：“一国如何敌得过八国？”但光绪帝等人如何左右了时局？16日慈禧命载勋、刚毅为义和团总统大臣，载澜、英年辅佐。
6月18日在第三次御前会议上，载漪提出“请攻使馆”，吏部左侍郎许景澄极力反对，总理衙门大臣联元也表示反对。慈禧则怒斥“许景澄无礼”，依仗权势强行通过了围攻使馆的决策。直隶总督裕禄则沉默不语，他考虑到国际惯例不可围攻使馆，但又慑于慈禧，所以尔后对各国使馆采取了明攻暗保之策。6月19日德国公使克林德乘轿前往总理衙门，载漪命所部神虎营士兵在路上将其击毙，20日又令董福祥的甘军围攻各国公使使馆所在地东交民巷和西什库教堂。由于裕禄对慈禧的阳奉阴违，以及后来慈禧的“转战为和”，所以各国使馆并未受多大的损失，至7月初各国使馆军队死伤不过几十人，其他各国公使并未受到伤害，但手持大刀、长矛、木棍，石块的义和团却损失惨重。
天津保卫战从6月17日大沽口失陷，联军逼近天津即已开始。6月中旬静海县曹福田率领的义和团乾字团2000多人先于张德成进入天津参加保卫战，天津的和来自静海、盐山、庆云等地的义和团都愿接受他的领导。6月18日曹福田率义和团与部分守城清军进攻俄军驻守的老龙头火车站。在义和团的猛攻之下，俄军抵挡不住，挂出了白旗，义和团攻势愈猛，打死打伤俄军500余名。
慈禧“宣战”之后，天津形势更趋紧张，联军数千人从大沽口向天津进发，但在塘沽即遭到义和团的拦截、阻击，直到6月23日才窜入天津，途中已被击毙200多人。天津保卫战在几个战场上展开。6月23日，俄、日联军600多人从紫竹林租界地和军粮城包抄东局子。东局子即天津机械局东局，是清朝在华北最大的兵工厂，有清军坚守，但也是联军重点进攻的目标。当时聂士成部转至此据守，先期到达的文安县王德成率领的义和团也协同作战保卫，联军虽然多次发起强攻，但均被击退。6月27日联军2800多人三面围攻东局子，先用大炮轰击，后又以马队冲锋，清军则在外围敷设地雷拒敌，炸死联军甚多，战斗异常激烈。清武卫前军营官潘金山在右腿被敌人子弹打穿的情况下，仍拼命死守，指挥若定。不料中午时分，联军一发炮弹击中厂内火药库，顿时一片火海，守军只得点燃全厂，冲出重围。联军虽然攻下了东局子，但一无所获，而且被打死上百人。
6月28日张德成率静海县独流镇义和团“天下第一团”5000人来津增援。6月29日马玉崑率清武卫左军，宋庆率清山海关守军继而来援。其时曹福田、张德成正率义和团再次进攻老龙头火车站，双方展开激战，义和团手持大刀长矛冲锋，联军则以洋枪洋炮还击，一批又一批的义和团战士倒在血泊之中，但仍无法占领火车站。7月3日马玉崑的武卫左军配合义和团第三次进攻火车站，清军的武器装备优于义和团，已有一些来福枪。清军与义和团包抄俄军，打死俄军100多人，终于收复了火车站。但经过几次拉锯战，俄军再次占领火车站，直至天津失陷，这里的战斗一直没有停止。
天津保卫战除东局子、火车站激战外，在紫竹林租界地也激烈地展开。天津租界地是鸦片战争以来，帝国主义列强在津的巢穴。清廷向联军“宣战”后，即命天津守军聂士成部向租界地发起进攻，聂士成部和义和团猛攻租界地，恶战十余日，但联军以洋枪洋炮的猛烈炮火还击而使进攻未能奏效。至7月初紫竹林租界地已聚集联军达9200多人，他们以海河和墙子河为屏障，在交通要隘处埋设地雷，使清军和义和团进攻十分困难。从7月2日起，张德成率“天下第一团”从西面进攻租界地，为对付联军在交通要隘埋设的地雷，义和团用几十头牛扫雷，在牛尾上捆上浸了油的棉絮，点燃之后，让几十头牛在联军前沿阵地横冲直撞，扫清了地雷，并引起了洋房着火，义和团见此情景，振臂欢呼，拍手称快，随即发起冲锋，消灭了不少联军。与此同时，聂士成部则由西南发起进攻，他们把两尊快炮架在土墙上向租界地轰击，一直打到租界地腹地，轰毁平顶楼一座，炸死联军数十名，联军则用机关枪还击，义和团和清军前仆后继，一直与侵略军厮杀到深夜。
在攻打租界地的战斗中，义和团的女青年组织“红灯照”也勇敢地投入了战斗。“红灯照”的领导人林黑儿本是河北船户的女儿，因受洋教士的迫害而投入义和团，自称“黄莲圣母”。她率领的都是十七八岁的女子，她们着红衣，提红灯，与义和团相辅而行，共同战斗。“红灯照”约有二三千人，她们每逢参战，都视死如归，表现了巾帼英雄的不凡气概。天津保卫战正值炎热季节，义和团战士们在战斗中大都赤裸上身，汗流浃背，天津人民则男女老少，不分昼夜前往支援，给战士们送得胜饼和绿豆汤，精诚团结，共赴国难，表现出了高度的爱国热情。
7月初，八国联军在天津的部队已达2万多人。7月9日凌晨，联军纠集步兵、马兵和野战炮两个中队，共几千人向义和团与清军大肆反扑，他们首攻方向是西南驻守在南营门和马场道一带的聂士成部，分左右两翼进行包抄，聂士成部在联军的夹击下，力战不支，退至八里台。在八里台的血战中，聂士成身先士卒，双腿受伤仍奋力向前，接着身中数弹，肠子都流了出来，仍顽强指挥战斗。他就义前站立桥上，面无惧色，向众官兵大声疾呼：“此致命遂志之日也，虽及死不得逾此一步！”最后枪弹洞穿全身多处，倒地阵亡，壮烈殉国。聂士成牺牲后，天津保卫战失去总指挥，清军溃退。后来人们为纪念聂士成，把他的阵亡处更名为“聂公桥”。在南营门、八里台激战的同时，联军另一支扑向天津西南的纪家庄，这是义和团韩以礼的驻地，义和团浴血奋战，杀死杀伪不少联军，但纪家庄最终被联军血洗。
7月12日联军再次来援，他们沿海河两岸分头进攻清军和义和团。一路向北进攻城东北角，一路向西经海光寺扑向南门。东北角守军在激战中打死打伤联军150多人，在敌强攻下，宋庆、马玉崑部退至天津北仓。南门守军事先引墙子河水至南门，使南门外一片汪洋，据此殊死守城。联军只得在泥泞中攻城，守军则利用有利地势击毙一批又一批联军，双方激战一整天。14日凌晨联军先头部队在枪炮的掩护下，扒城而入，守军又与联军展开了激烈的巷战，直到当天下午天津失守。张德成在战斗中左臂负伤，率余部从北门撤出天津。
天津失陷后，八国联军烧杀抢掠，奸淫妇女，进行疯狂报复。在南门和东门失守之后，民众拥向北门和西门，人流拥挤，水泄不通，联军将大炮架于城中心的鼓楼之上，对准人群狂轰滥炸，以致尸积如山，血流成河。顿时天津十室九空，残垣断壁，一片荒芜。天津保卫战虽然失败了，但充分显示了天津守军和人民不畏强敌的英雄气概和爱国主义精神。
天津被八国联军占领后，帝国主义列强为维护其统治，在天津成立了殖民政府即所谓“都统衙门”，由联军任总督总揽全权，下设巡捕、发审、财务、粮食等各种管理机构，开始了对天津人民的残酷殖民统治。天津失守的原因，固然由于联军拥有洋枪洋炮，野蛮凶悍，守军武器装备落后，联军军事实力胜过守军。但更重要的原因则是清廷腐败，在抗击联军的战斗中仍不忘剿杀义和团，致使义和团得不到应有的支援，如此残酷的战斗缺乏统一部署和协同作战，焉能取胜？
