北京街头的义和团成员清政府在义和团问题上犹豫摇摆，各国公使决定用武力胁迫清朝统治者就范，遂调集停泊在大沽军舰上的海军陆战队四百余人，于5月底、6月初分两批到北京。6月10日英国海军中将西摩又统率多国联军(史称八国联军)两千余人，从天津直趋北京，形势愈发紧张。时旅顺俄军1700人赶来参加西摩特遣军，因迟到滞留在天津租界内，待机出动。6月中旬，大批义和团亦准备进入北京城。清政府这时失去对局势的控制，为了保住政权，必须作出抉择，或者利用义和团抵抗西摩联军，或者联合西摩联军镇压义和团。义和团声势浩大，反抗斗争得到北京广大居民的同情和支持，部分北京驻军也倾向义和团，加之“扶清灭洋”的口号更使清政府感到义和团无意与它为难，大可利用；而西摩联军气势汹汹，来意不明，且总理衙门大臣许景澄等奉命到使馆交涉，要求其中途折回，遭到坚决拒绝，更增加清政府的疑惧。清政府派军机大臣刚毅、赵舒翘等分批前往涿州“视察”义和团后，6月13日终于承认义和团为合法，准许他们进入北京内城。
直隶长新镇“坎”字义和团牌当西摩统率联军白天津出动时，义和团拆毁铁路，阻挡侵略军前进。11日和12日，联军只前进40多英里，13日下午义和团与西摩联军在落垡、廊坊交锋。他们使用大刀、长矛、抬枪等落后武器，同侵略军浴血苦斗，表现了极大的勇气和牺牲精神。义和团在拆除通北京的铁路后，又破坏落垡以东的铁路、电杆，烧毁杨村大桥，断绝了侵略军同天津租界的交通和电讯联络。18日，董福祥统率的武卫后军(甘军)加入战斗。西摩联军遭到痛击，被迫撤退到杨村，夺得几只木船，运载伤员和辎重，顺流而下。其余军队沿河徒步向天津方向逃窜，一路遭到义和团和清军的追击和堵截。22日，他们抢占西沽武库，获得喘息机会，接着又被清军和义和团重重包围，直到26日才被天津开来的一支援军救出，狼狈逃回租界，死伤近300人。西摩承认，“义和团所用设为西式枪炮，则所率联军必全军覆没”。
西摩联军被围后，与外界消息不通。6月15日，大沽各国海军将领会商营救办法，俄国提出各国军队联合夺占大沽炮台。16日晚，他们向中国守军发出通牒，限第二天清晨二时前交出炮台营垒，由各国接管，否则届时以武力夺取。大沽守将罗荣光断然拒绝。当晚，英、俄、日，德等海军组织突击队，在炮舰掩护下向大沽炮台发起猛攻。守军英勇抵抗失利，炮台陷落，天津的门户被打开。大沽炮台失守消息传到北京，21日，清政府发布对外宣战的谕旨。义和团和清军开始围攻使馆和西什库教堂。
义和团运动的大爆发，特别是义和团进入北京和清政府对外宣战，促使人民群众反帝斗争很快席卷全国。直隶全省、顺天府(治今北京)所属34州县，几乎全投入反抗斗争。山西50多个州、厅、县，共拆毁教堂90多处。内蒙古广大蒙、汉、回族群众积极参加进攻天主教堂的斗争，持续到9月中旬。山东拆毁曹州府大小教堂。东北地区群众破坏沙俄在奉天境内强修的铁路，焚毁吉林、长春、呼兰等处教堂。河南省黄河以南的教堂，除南阳、新野外，全被拆除。浙江秘密结社群众毁教堂，在衢州杀死教士多名。江西群众捣毁法、英、美、德教堂39处，湖南烧毁衡州天主堂，安徽宿松等处教堂被焚。江苏南京、福建厦门、广西象州、甘肃凉州等地出现义和团揭帖，号召进行反教会斗争。云南昆明群众烧毁法、英教堂，四川大邑、邛州、名山等地10多处教堂被焚毁。广东顺德、南海等地会党集合，焚毁教堂。贵州相梓县传习义和拳，分棚操练。陕西渭南哥老会捣毁华县等地教堂。天津派人到新疆的伊犁地区开场练拳。帝国主义直接统治下的上海租界内也“谣言繁兴，人心惶惑”，使侵略分子坐立不安。
天津义和团在大沽炮台陷落前，已焚毁仓门口、望海楼等处教堂。租界内的侵略军出来干涉。盘踞老龙头火车站的俄军炮击义和团，造成重大伤亡。曹福田统率的义和团进攻租界和火车站，揭开天津战斗的序幕。他们破坏铁路，阻击从大沽开来的援敌，顽强奋战。大沽失陷的消息传到天津，聂士成所部武卫前军参加战斗，炮击天津租界。大沽各国军队急速向天津进犯，企图与租界内侵略军会合。6月21日，义和团与清军击退俄美军队的联合进攻。23日，俄、英、美军两千余人强行闯入租界。英、美等国军队接踵赶到，人数增至八千以上。西摩联军逃回租界后，天津联军总数超过一万。他们组织力量反扑，义和团在拆毁京津铁路对天津城外围发起攻击。27日，大队俄军联合英、美军队进攻海河东岸贾家沽的北洋机器局(东局子)，守军顽强抵御后失利，机器局被夺占。6月底，张德成率静海独流镇义和团到天津参战，驻扎山海关内外的武卫左军马玉昆部也陆续开到天津。7月初，清军与义和团组织了一次联合作战。张德成率领的义和团和马玉昆部清军进攻租界，曹福田为首的义和团攻击老龙头火车站，聂士成所部守南门外海光寺机器局(西局子)，并派出一部分军队与练军进攻东局子。这次战斗，义和团与清军互相配合，打得主动顽强，使侵略军胆战心寒。
7月9日，各国军队联合进攻海光寺一带，聂士成率部迎战，中炮阵亡，海光寺西局子被夺占。聂士成勇敢善战，与租界敌军恶战多次，为侵略军所惧惮。当时人记载称：“西人谓自与中国交战以来，从未遇此勇悍之兵。”聂士成战死后，所部步马30营多半溃散，天津城防因此削弱。次日帮办北洋军务宋庆到天津主持战局。13日，联军大举进犯，炮轰天津城，全城大火。时俄、德军为一路，由俄军中将率领进攻东北角水师营炮台(黑炮台)；另一路由日、美、英、法、奥军组成，约五千人，由日本福岛少将任指挥，从海光寺直扑天津南门。南门外原是水塘和洼地，义和团掘堤放水、顿成一片泽国。马玉昆部和何永盛部练军，凭城固守，炮击敌军。义和团在城外濠沟里和芦苇丛中阻击敌人，战斗中击毙美军第九步兵团上校团长及其以下军官多名，打死八百余人。这是天津战役中最激烈的一次战斗。当晚，裕禄在马玉昆等保护下，逃到北仓。14日，日本工程兵轰塌南门，敌军从城墙缺口攻入天津城，黑炮台也为俄军占领。天津失陷后，侵略军大肆焚掠，残暴罪行，令人发指。
天津陷落后，俄军统帅召集各国高级军官开会，成立天津临时政府(即“天津都统衙门”)，企图由俄军上校担任行政首脑，其他国家表示反对，遂改由俄、英、日各派一名军官组成委员会(后来又增加德国军官一名)。这个机构对天津及其附近地区进行了长达两年的殖民统治，直到1902年8月被撤销。天津刚失陷，俄国即抢占海河东岸近6000亩地方，划为俄租界，超过原来英、法、德、日租界的总面积。其他在天津没有租界的比利时、奥匈帝国、意大利要求建立租界，已占有租界的英、德、日则要求扩大，因此出现了帝国主义分割天津的局面。
7月14日联军占领天津后，内部矛盾重重，对何时进犯北京争吵不休。直到8月4日，各国联军约两万人，从天津出发进攻北京，其中日军约8000，俄军4800，英3000，美2000，法400，意、奥不满100人，德军没有参加。侵略军兵分两路,日、英、美军为右翼，沿北运河西岸前进；俄、法、意、奥军为左翼，沿北运河东岸推进。当时没有统帅，商定每晚各国头目开会，制定第二天作战方案。清军为阻敌前进，在北仓修筑阵地，决堤放水，淹没西沽、北仓间的大片地段，并在有些地方布了水雷和地雷。次日，联军以日军为主进攻北仓。清军奋力抵御，毙伤敌军400人，但北仓失陷。6日，英、俄、美军进攻杨村，清军迎战失利，裕禄自尽。清政府宣战后一个多星期，就指示驻外各使馆，要它们向各国政府保证，由它“设法相机自行惩办”义和团，并命令军机大臣兼武卫军统领荣禄派人到外国使馆商议停战，后来又一再向俄、日、英、法、德、美政府乞情，请求它们出面调停。但清政府的一切求和活动都没有结果。8月7日，清政府任命李鸿章为议和代表，电商各国停战，前线将领因而更无斗志。11日，联军逼近张家湾，帮办武卫军务大臣李秉衡自杀。12日，侵略军占领通州。次日，俄军率先进攻东便门,日军随即攻朝阳门、东直门。战斗都很激烈，大队清军前去增援。广渠门守备空虚，英军乘隙攻入。14日北京失陷。慈禧太后、光绪皇帝于次日清晨仓皇出逃。16日围攻西什库教堂的战斗结束。慈禧在流亡途中，颁布“剿匪”谕旨，通令各路官兵剿办义和团，要做到斩尽杀绝。联军占领北京后，大肆烧杀抢劫。除侵略军官兵外，传教士、外交官和侨民亦有参与掠劫者。北京许多房屋成了瓦砾堆，被杀者的尸体到处可见。八国联军将北京全城分为几个占领区，实行军事统治，镇压居民反抗。英、德、法等军继续派出部队，四出攻城略地。9月间，俄军占领北塘、唐山、秦皇岛等地，控制北京、天津到山海关铁路。德国元帅瓦德西又率领两万德军到中国，并任联军统帅。10月中，他派出德、英、法、意军队从北京、天津两路进攻保定。直到次年4月，瓦德西组织了46起“讨伐队”(其中33起为德军)四出侵扰，西至直晋边境的娘子关、紫荆关，西北到张家口，南到直鲁边境。所到之处烧杀掠劫，无恶不作。