英法联军在第二次大沽口之战中大败，使本来想教训清朝的英法政府相当愤怒。英国《每日电讯报》出现占领北京城，永久占领广州，把皇帝赶出皇宫的声音。英国内阁从1859年9月16日起开8天的会议，最终一致主张对中国增兵，并攻入北京作为目的。双方决定由英国出兵1.2万人，法国则出兵7000人。法方任命孟托班为总指挥。联军在上海聚集，1860年4月21日占领定海，后陆续占领大连湾、烟台，以完成对渤海湾军事上的封锁。大连湾和烟台则作为联军进攻大沽口的基地。

　　清军在北塘除了装设一部分地雷外，并无驻军加强防备，给了可趁之机。俄国驻北京公使尼古拉·伊格那提耶夫侦知了北塘未设防的相关情况将其告知英法。1860年8月1日，借助俄国人的引导，联军出动军舰30多艘和陆战队5000人在北塘附近顺利登陆，没有遭到任何攻击，并就地掠夺物品。

 激战过后的大沽口炮台

　　顺利占领北塘后，1860年8月12日联军2000人在往大沽探路途中与清军遭遇，开了打响战斗的第一炮，随后占领新河。接着与4000名配备大刀、长矛和弓箭的蒙古骑兵战斗，在动用了阿姆斯特朗炮后击退清军。清军撤回塘沽。

　　8月14日，联军进攻塘沽炮台，集中36门后膛炮和阿姆斯特朗大炮炮轰清军兵营，便发起冲锋。联军士兵纷纷架起梯子试图爬进城墙，最后施米茨中校站在城上挥舞三色旗，清军士兵开始逃亡。战斗结束了。

　　1860年8月21日，英军部属2500名士兵，法军部属1000多人和2连炮兵作为进攻大沽口的兵力。早上6点法军炮兵和英军的榴弹炮对着右岸第一座炮台开炮。英军以47门大炮同法军密集的炮轰那炮台，联军战舰也发炮协助。清军在炮火的差距下渐渐不敌，而且射击无法精准。7点半时联军发起冲锋开始白刃战，临近10点攻下第一座炮台接着约100名清军士兵逃亡，多数守军战死。当晚，大沽炮台的剩余清军全数缴械投降。

　　以联军胜利而结束。共缴获了大炮518门(110门为铜制大炮)和军用物资。透过劝降的手段，联军只攻取了两座炮台，杀死炮台守将乐善后，成功使南岸的剩余清军就地投降。8月23日英军上将贺布北上直达天津，总督恒福出外迎接，清朝再派桂良、恒祺与联军代表额尔金在天津议和。