英法聯軍在戰役中所取得的有利形勢，讓本來頗為灰心喪氣的英國公使額爾金又打起了精神。聯軍佔領塘沽後，他興沖沖地找到格蘭特，說要在塘沽的一座寺廟頂上建立總部，理由是站在上面可以更好地觀察攻打炮台的戰鬥情形。
額爾金不過是格蘭特的名義上司，打仗這事還是得格蘭特說了算。格蘭特聽額爾金說，他要邀請《泰晤士報》記者和他一起去寺廟觀戰，馬上明白這位公使先生不過是想獲得在英國報紙上露臉的機會而已。鑒於大沽炮台與塘沽只隔著一座白河，中方大炮的射程足以到達額爾金所說的那座寺廟，格蘭特毫不客氣地駁回了他的要求。
在聯軍內部，孟斗班之前雖然有意與格蘭特爭鋒，但由於獨自進攻塘沽受挫，如今也已不自覺地落於了下風。當商討如何攻佔大沽炮台時，他提出要同時攻打大沽的四個炮台，格蘭特則堅持先攻北岸炮台，因為北岸炮台在火力配備上最為虛弱。爭論的結果，孟斗班不得不屈從於格蘭特，他在日記中酸溜溜地說：「我這樣做的目的，是卸下我的軍事責任以及與此相關的政府責任。」
1860年8月21日凌晨，英法聯軍突然自後路對大沽北岸炮台實施猛攻。戰前，格蘭特下令將所有的阿姆斯特朗炮都儘可能運至前線實施轟擊。阿姆斯特朗炮笨身沉重，加之地面又泥濘不堪，所以每一門炮都須用六匹高頭大馬予以拖送，然而其威力之大是不容置疑的。中方架在炮台上的大炮根本無法與之抗衡，短時間內多數大炮都被擊毀，但守軍利用殘存的火炮繼續轟擊，依舊遠遠地將敵人阻於炮台之外。
按照西方人的記錄，意外發生在上午6點半，炮台彈藥庫不幸被聯軍的開花彈擊中，繼而發生爆炸，巨大的爆炸聲如同地震一般，令守軍手忙腳亂。由於彈藥來不及補充，在半個小時之內，大炮無法再對敵人進行射擊，聯軍趁此機會逼近了炮台。
半個小時之後，守軍恢複射擊，卻發現己方大炮的威力已經大減。這是因為中國炮手普遍缺乏數學和彈道原理的知識，技術再熟練的炮手也只能根據經驗，朝著固定的方向進行大致瞄準。這使得炮台的攻擊距離有著很大局限，一般只有在一千兩百米到一千五百米的範圍內才能對敵方造成殺傷，隨著距離拉近，一旦超出這一範圍，炮手們就不知道該如何調整發射的高度了，打出去的炮彈往往都超出目標。
聯軍前敵指揮官柯利諾見狀，立即命令炮兵把來複炮推到陣前。來複炮和阿姆斯特朗炮一樣同屬線膛炮，雖然火力不及阿姆斯特朗炮，但在輕便性和機動性上更勝一籌——一般情況下，只須四匹矮馬就能輕鬆拉動一門來複炮，炮兵推起來也不覺得特別費勁。
聯軍將來複炮推到距離炮台六百米的地方，旋即對炮台進行射擊。聯軍炮兵訓練有素，在如此近的距離範圍內，可以說沒有一門大炮會失去準星，相反，中國軍隊射出的炮彈卻只能從聯軍士兵的頭上划過。
經過來複炮的「定點清除」，炮台尚存的大炮多數都啞了火，火力遭到完全壓制。柯利諾認為時機已到，下令各部發起衝鋒。
當聯軍士兵衝到距離炮台三十五米處時，炮台上仍有一門也是唯一的一門大炮在施射，可是操縱者卻只有一個。該炮手先是把背貼在地上，鑽到大炮下面裝填炮彈，接著再爬起來開炮，之後又重新開始這一套在聯軍看來很「古怪」的操作。其間聯軍不停地向炮台開炮，然而竟沒有一顆炮彈擊中他。
這當然不是偶然的，實際是聯軍官兵對這名英勇的中國軍人肅然起敬，不願意加以傷害。有人後來說起當時的感受：「不同國家的勇士之間總會惺惺相惜，看著別國的勇士倒下怎麼可能不痛心？」
炮台前有連續兩道壕溝，裡面都注滿了水，這構成了聯軍前進過程中難以逾越的一大障礙。與此同時，除了那門堅強的大炮外，其餘守軍也在用抬槍、鳥槍乃至弓箭進行頑強抵抗。聯軍在壕溝邊折騰了一刻鐘，不僅沒能取得任何進展，而且傷亡慘重。
柯利諾急得兩眼冒火，為了加快進攻速度和減少聯軍的損失，他不顧一切地下達命令，逼著從香港招募的中國苦力們跳下壕溝，充當人梯。