英法進攻大沽乃是蓄謀已久的軍事行動。
當英法美俄四國使者投遞照會時，譚廷襄曾派遣武官駕小舟為他們做嚮導。英法自此便以汽艇和小舢板探水，對如何突破攔江沙進行研究。譚廷襄沒有在軍營待過，不知道其中的奧妙，既不禁止，也未加以必要的防範。
英法聯軍很快就在熟悉地形的基礎上，找到了突破之法。譚廷襄以為聯軍過攔江沙必須換小舢板，沒想到他們乘坐的是一種淺水炮艇，乃在廣州試過身手的「小丑」炮艇的升級版。這種炮艇不用風帆，用蒸汽動力，所以多淺的內河都能應付，而且所裝重炮也由兩門增加到了三門至六門，火力更加強勁。
中國軍隊只盯著大型艦艇，沒留意淺水炮艇已越過攔江沙進入海河。之後，譚廷襄仍依照咸豐的指示，人不犯我，我不犯人……
聯軍炮艇絲毫不管這一套。他們早在探水過程中，就已通過望遠鏡觀察，弄清了大沽炮台的虛實。實戰中，一排炮彈甩過來，便把大沽炮台給轟塌了小半邊，炮牆無不破裂。
譚廷襄急忙下令迎擊，守軍非常英勇，炮台上的一個炮手倒下後，立即有新的炮手上去接替，僅僅一門火炮，就有多達二十九名炮手戰死在崗位上。
但這個時候光勇敢沒有用，火炮的優劣與否才是關鍵。
假如現在還是第一次鴉片戰爭時期，中國的「巨無霸」火炮對來敵還是很有威脅的，只可惜十多年過去，英法在武器上又有了突飛猛進的發展。
在克里米亞戰爭中，兩個歐洲國家能夠戰勝俄國，在很大程度上，就是武器制勝：俄軍用木製帆艦，英法聯軍用蒸汽鐵艦，誰更吃得消炮打，一看便知。
當炮台上的炮彈打到炮艇甲板上時，不過是炸出一兩個孔洞，遠遠達不到將其擊沉的目的。炮艇就不一樣了，它兩面齊放，打得又准又狠，讓你躲都沒地方躲。
到當天中午，南北岸的四座炮台摧毀的摧毀，失守的失守，炮台指揮官也有多人陣亡，英法聯軍成功登陸。
英法聯軍登陸後，對戰爭勝負起決定性的因素也仍是技術優勢，這同樣可參照克里米亞戰爭中的場面：俄軍用滑膛槍炮，沒有膛線，命中率很低，英法聯軍已經裝備了線膛槍炮，一打一個準兒。
論工藝質量，中國軍隊的槍炮尚不及俄國槍炮的一個零頭，連英法聯軍的軍醫都知道，中國兵所用的鳥槍殺傷力很小，不僅打不準，往往還無法形成致命傷。這種情況下，仗能打成什麼樣，就可想而知了。
在令人驚魂的槍炮攻擊下，守軍死傷慘重，不可避免地出現了大潰退場面，在後督戰的譚廷襄雖於陣前連斬兩人，但仍無法遏制頹勢，只得率殘部撤往天津。
大沽口之戰（又稱第一次大沽口之戰），英法聯軍死傷數為一百零九人，其中因為炮台火藥庫突然爆炸等原因，法軍死傷的比例又較多一些，光軍官就死了四人。僅就數字而言，英法聯軍的傷亡尚比不上第二次廣州之戰，而後者已經是兩廣總督葉名琛在山窮水盡的情況下所能做出的最後一擊了。
中國軍隊一方，傷亡統計為四百六十一人，官軍實力尚存，但士氣已遭到極大挫傷。
大沽口失守時，北運漕糧才運了一半，僅靠運進來的這一半糧食，京津一帶難以維持。同時，大沽是天津門戶，大沽一失，天津極可能不保，而天津又是北京門戶，也就是說京城本身亦面臨著被攻擊的危險。
1858年5月21日，咸豐急忙將僧格林沁調往通州，以防衛北京，他的叔叔、惠親王綿愉也被搬出來救急，負責主持剛剛成立的五城圍防局（清代把京城分為中、東、西、南、北五城）。
五年前，咸豐為了抵禦太平軍北伐，曾登台拜將做了類似的部署。當時僧格林沁和綿愉不辱使命，一舉化解了危機，但這次就不一樣了，畢竟英法聯軍的實力跟太平軍不是一個檔次，這點常識，咸豐還拎得清。更何況，此時前方剛剛吃了大敗仗，士氣嚴重不振，這時候就算把能打仗的僧格林沁請出來，匆促之間，要想靠他來轉敗為勝也異常困難。
5月26日，英法聯軍進逼天津，距北京近在咫尺。咸豐迫於形勢，只得派大學士桂良、吏部尚書花沙納赴天津談判。
桂良作為大學士，自然符合英國對於談判代表必須為相的條件，但他和花沙納都是初次參加對外談判，外交方面兩眼一抹黑。為此，綿愉、大學士彭蘊章等人保薦已革大學士耆英，認為耆英熟悉外交，請咸豐棄瑕錄用。