進攻大沽口，英法聯軍顯然是有備而來。開戰之前，英法聯軍就已經注意到天津一帶的地理和水文況不同於廣州，海河不但水深不及珠江，海口還有一道攔江沙。
據這些報，英法將用於進攻的海軍主力改乘吃水較淺、機靈活的蒸汽炮艦（艇），而大型艦艇則作為登陸部隊的運輸船。
反觀清軍，儘管大沽口的扼守海河海口的4座炮臺相繼在兩岸建立，但這種防模式仍然是陳舊的，清軍炮臺在第一次片戰爭中被繞後包抄的經驗教訓，幾乎沒有被應用到新建炮臺的改進容當中。
此外，咸年間的清朝槍炮技並沒有明顯進步，清軍所使用的兵丁鳥槍和土製前裝炮與十餘年前的裝備並無二致。
清軍似乎仍是1840年的清軍，但1858年的英法聯軍已經日新月異。
此時的英軍主要使用的是恩菲爾德1853型前裝式線膛步槍，該步槍配備米涅彈藥，採用火帽擊發機制。這種步槍能夠在400多米集中火力擊，其彈頭的終點能能夠在800多米距離依然能造殺傷。法軍在當時則裝備了米涅1857型步槍，其效能與英軍的恩菲爾德步槍相媲。
1858年5月20日上午8點，英法聯軍派出軍遞最後通牒，要求清軍在兩小時出炮臺，譚廷襄對此不予理會，而是做好了作戰準備。
10點左右，英法聯軍開始進攻，大沽口南北兩岸炮臺被英法聯軍各派3艘蒸汽炮艇轟擊，雙方隨即進行激烈的炮戰。
潛伏在唐山沙河口的“南號”安保隊偵察連的副連長李九生帶了一名安保隊員，買了一艘漁民的小船，化妝了漁民，遠遠的觀察著英法聯軍的艦隊陣型，也在遠觀察兩軍戰的況。
從未和洋人打過道的北方清軍在戰鬥之初表現得十分堅韌，其中一個炮位上甚至有29名炮手接連陣亡。
英法軍隊這些年一直在世界各地征戰，軍事水平遠高於還在主要依賴冷兵廝殺的清軍軍隊。特別是火控上，比清軍單兵素質高了不是一星半點。
雙方的軍事水平著實懸殊，清軍雖然打得很激烈，但不管打出的炮彈多麼多，但起效的卻很。本就低得可憐的命中率又被落後的火炮技進一步拖累了，清軍火炮只能在洋人軍艦上打出一兩個孔來，而不是如預想的那樣一炮即沉。
比起英法艦船的堅固耐打，依靠石頭壘土的清軍炮臺則呈現出一副慘不忍睹的景象：大沽口北炮臺的三合土頂蓋被徹底轟爛，南炮臺的炮牆更是無一不碎裂。清廷心修建的、號稱“北方最強”的炮臺，在英法聯軍面前完全不堪一擊。
在雙方炮戰的同時，5艘英艦運載著登陸部隊進了大沽口，並以火炮支援登陸作戰。中午11點15分，北炮臺已經基本被聯軍炮火打至癱瘓，該指揮游擊沙春元戰死。失去了主心骨的清軍隨即一鬨而散，英軍旋即佔領該地。
南炮臺堅持至12點左右，傷亡累累的清軍綠營兵率先潰散，臨時徵召來的民勇也隨即潰敗；在戰線後方督戰的譚廷襄等人，即使斬殺數名潰兵也沒能遏制住潰敗的勢頭。
清軍潰散後，該地即被聯軍佔領，而譚廷襄則率領高階員一窩蜂地逃往天津。
炮臺周圍從沒見過洋人的各路援軍，即使有7000人之眾，在得知兩岸炮臺友軍慘敗後，也集潰逃了。大沽口及周邊地區突然了“不設防區域”。
在遠小漁船上觀察的李九生不由得長嘆一聲，清軍的心理素質真的太差，這仗沒法和英法軍人打。不過，李九生也是嘆，西洋人確實單兵軍事素質可以，很多一看都是老兵。
尤其讓李九生慨的是，給英法軍人當輔助的都是中國人，運送彈藥、傷員，忙得不亦樂乎的人頭上都盤著辮子。
如果沒有這些中國人從事後勤，英法聯軍的整戰鬥力會被打折扣。
看清軍兵敗已經為定局，李九生兩人划著小船向著海邊撤退，遠離戰場後，回了潛伏的沙河口。
大沽口軍事上的慘敗，令咸皇帝不得不低頭。1858年6月，咸急派出東閣大學士桂良、吏部尚書花沙納為欽差大臣赴天津談判。
然而咸帝又一次失了：英法的態度始終強無比；俄國公使則裝作站在清廷這邊，提出若同意俄國的條件，就替清廷向英法說和。
無奈的桂良只得求助於偽善的俄國公使，俄國公使趁機騙桂良簽訂了《中俄天津條約》。差不多同時，黑龍江將軍奕山也擅自與俄東西伯利亞總督穆拉維約夫，簽訂了《璦琿條約》，割讓黑龍江以北約60萬平方公里的大片領土。
割地如此之多，簡直是喪權辱國，但咸帝認為用幾千里外的不之地換取俄國的人很值得，於是指示桂良說：“今俄國已準五口通商(即《中俄天津條約》)，又在黑龍江定約(即《璦琿條約》)，諸事皆定，理應為中國出力，向英法二國講理……方能對得起中國。”
但國與國之間，有時只有赤的利益。得了好的俄國人，一邊在清廷面前裝作要向英法說和；一邊又支援英法兩國，意撈取更多的利益。
大沽口之戰的報送到了粵西，沈雲峰雖然早知道此戰的結果，但是在此世，心中不免還是有些悲憤。
《中國時報》刊載了大沽口之戰的況，沒有提清廷，重點批評了清兵戰鬥力低下，畏戰怕死。然後批判了漢行為，那些為列強做工的廣州苦力團，那些賣糧食給列強的人，包括兩江總督何桂清。
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