新河一戰，蒙古騎兵一共傷亡了近四百人，見已無取勝希望，他們只得實施突圍。一度面臨滅頂之災的錫克騎兵來了精神，他們立刻兜後追擊，想給對手來個血腥屠殺。幸好一場暴雨忽然傾盆而下，蒙古騎兵余部以此為掩護，才得以退守塘沽。
新河和軍糧城隨後陷於敵手，這使形勢頓時變得極其嚴峻：英法聯軍的軍艦由北塘開向大沽，用艦炮對準大沽炮台，以扼炮台之前；其步騎據守新河、軍糧城，以逼炮台之後。
大沽炮台的炮口所向大部分都朝向海面，一旦英法聯軍從側背發起攻擊，無法反身施射。「鐵脖子御史」陳鴻翊曾擔心過的情況赫然出現在眼前，此時僧格林沁才後悔不該縱敵登岸，然而一切都已無法挽回。
1860年8月14凌晨，英法聯軍兵臨塘沽。塘沽築有周長近四里的泥牆，上面設有槍眼、炮洞工事，配備著火炮，具備一定的防守能力。觀察形勢之後，英軍統帥格蘭特以部隊需要休息為由，提出第二天再打，可是法軍統帥孟斗班卻希望立即攻城。
英法雖然共同發動第二次鴉片戰爭，但無論兵力還是後勤支援，法軍都不及英軍。另一方面，當時正值法國的民族主義情緒高漲之際，其國內輿論甚至稱侵華的英法聯軍為「法英聯軍」。作為法軍統帥，孟斗班也不願老讓英軍出風頭，既然英軍說要休息，他就決定在沒有英軍幫助的情況下獨自攻城。
沒承想這一打就吃了虧。塘沽原有駐兵加上退守的騎兵總計有三千人，他們已接到僧格林沁的命令「扼守壕牆，嚴加戒備，不準稍有鬆懈」，看到法軍衝上來，立即用火炮進行攔阻。
孟斗班不甘心在英國佬面前丟了面子，仍勒令士兵繼續衝鋒。只是法軍士兵的英勇精神遠不如中國軍人，很快，這些士兵就敗退下來。
格蘭特比孟斗班要老奸巨猾得多，他傳令休息就是因為發現正面進攻難度較大，孟斗班執意一攻恰好給他蹚了雷，讓他驗證了自己的觀點。與此同時，法軍的進攻也吸引了守軍正面的火力，格蘭特抓住機會，指揮英軍鳧水由葦塘抄襲守軍側背。守軍腹背受敵，不得不由塘沽退至大沽口北岸，轉而協同防守北岸炮台。
第三次大沽口戰役前，僧格林沁曾誇下海口：「即使該夷（英法聯軍）捨命報復，現在營壘倍厚加高，密布大炮，各營官兵無不奮勇，足資抵禦。」如今隨著塘沽淪陷，大沽岌岌可危，僧格林沁的保證不攻自破，他本人也備受外界質疑。
有人分析僧格林沁致敗之因，說他和古代的屈瑕很像。屈瑕是詩人屈原的祖先，春秋戰國時楚國的一員大將。他仗著以石擊卵的優勢打了一場勝仗，之後便趾高氣揚，不可一世，最終導致全軍落敗。
論者以為，僧格林沁最初系以擊敗太平天國北伐軍揚名，但那場仗出力最多的其實是勝保。言外之意，僧格林沁和屈瑕一樣，不過因人成事，卻把自己真當成了武聖關公，驕矜如此，想不打敗仗都難。
僧格林沁此次剛愎自用，因驕落敗，這一點自然沒有錯，可要以此否定僧格林沁亦走向了另外一個極端。若論軍事才能，僧王實非勝保等其他北方將領所能及，且不說他是擊敗北伐軍一役的首功之臣，勝保不過一配角罷了，僅就保衛京津而言，這一重責也非其莫屬。
作為對手，英法聯軍的評價或許更能說明問題，他們稱僧格林沁所部為「帝國（指清帝國）的最好軍隊」，說僧格林沁及其所部就算在落敗和形勢極其不利的情況下，「還想抵抗，並寸步不讓地保衛領土」。
咸豐對此心知肚明。聞聽大沽炮台處於危急狀況，他的第一反應不是追究僧格林沁的責任，而是考慮無論如何要保住僧格林沁，避免其走屈瑕的路——屈瑕敗北後，自感無面目見君王和父老，乃自盡身亡。
1860年8月15日，也即塘沽淪陷的當天，咸豐給僧格林沁發去上諭：「天下根本，不在海口，實在京師。」相對於大沽，北京的安危更為重要，他要求僧格林沁在戰事不利的情況下退保京師，繼續設法截擊敵軍，而萬不可在炮台與敵人拚命。
咸豐深知僧格林沁不畏死亡的剛毅性格，在諭旨中直接給他下達了離營的命令，並且說：「今有硃筆特旨，並非你自己畏葸害怕，有什麼可顧忌的？如果你執意不念天下大局，只為自己的名節考慮，那才是有負朕心！」
即便有了皇帝的嚴令，僧格林沁也未打算照做。咸豐讓他選擇可靠人員代為防守大沽南北岸炮台，自己離營，僧格林沁卻並未離開炮台，他任命直隸提督樂善為北岸炮台總指揮，自己仍駐守於南岸炮台。
樂善是蒙古正白旗人，因在第二次大沽口戰役中立有大功而被提升為直隸提督。僧格林沁告訴他，萬一北岸炮台守不住，可以撤出，但樂善卻毅然將自己的提督關防大印交與僧格林沁，以示誓死保衛大沽的決心。受其感召，所部有千餘人自願留在炮台與敵人拚死一戰。