原來巴夏禮等人被捕時，聯軍久候不歸，便斷定他們已成人質。法方提出立即對僧格林沁設於郭家墳的大營發動進攻，格蘭特擔心進攻會要了巴夏禮、洛奇的命，表現得猶豫不決。經過商量，聯軍方面決定在進攻前再做一次外交努力，他們讓一群騎兵護衛著威妥瑪，舉著休戰的白旗靠近僧營，威脅說如果僧格林沁不在第一時間釋放人質，聯軍就將向北京進軍。
這種威脅沒有產生任何效果。1860年9月18日中午，在法方的催促下，格蘭特終於下達了攻擊令。
僧格林沁在張家灣和通州總共集結了兩萬人馬，其策略是以騎兵構成屏障，阻擋聯軍對北京的進攻，同時相機對聯軍實施包圍。如果是在冷兵器時代，這種「中世紀戰術」無疑是有效的，但當面對擁有先進大炮和槍支的西方軍隊時，它卻變得漏洞百出。特別是僧格林沁為屏障京城，將己方戰線拉得過長，這使得聯軍很容易進行突破和滲透。
作戰過程中，聯軍集中力量，用阿姆斯特朗炮對僧軍防線中的薄弱部位進行轟擊，僧軍騎兵的戰馬受驚，回頭狂奔，又衝擊了綠營步兵。如此一來，步騎兵全都無法保持原有陣形，部隊一片混亂。
此時一個團的錫克騎兵和阿拉伯騎兵，從左翼對僧軍發起進攻。這些敵騎兵每個人都騎著高頭大馬，配有精良武器，而僧軍步騎兵只能用抬槍和鳥槍反擊，無論火力還是人員數量（在突破點範圍內），都不是其對手。
短時間內，僧格林沁所組織的防線便一觸即潰。這一戰，中國軍隊損失高達一千五百人，而聯軍僅傷亡三十五人，張家灣和通州城也被英法聯軍佔領。
張家灣落敗後，僧格林沁率部退守八里橋，他和瑞麟緊急商定，全軍分東、西、南三路截擊敵軍，其中近萬名滿蒙騎兵被配置在八里橋一帶防守。
八里橋是一座橫垮運河的石橋，為通州進入北京城的咽喉要地。僧格林沁利用八里橋周圍的灌木叢林構築了土壘和戰壕，準備與敵人決一死戰。在給咸豐的奏摺中，他慨然表示：「倘該夷由通州上犯，奴才等唯有與之以死相拼。」
9月21日，凌晨4點，英法聯軍由張家灣和通州向八里橋推進。上午7點，分東、西、南三路對八里橋守軍發起攻擊。
僧格林沁聞訊，首先命令蒙古騎兵利用奔馬的衝擊力，對主攻西路的英軍實施衝鋒。因為這次英法兩軍是分開作戰，英軍又借了一批騎兵給法軍，所以格蘭特錯把從遠處飛馳而來的這群蒙古騎兵當成了借給法軍的騎兵，竟然沒有下令開火。直到對方靠近，英軍才看清楚，急忙使用包括阿姆斯特朗炮在內的野戰炮進行近距離轟擊。
一部分蒙古騎兵不幸被猛烈的炮火「打得粉碎」，但另一部分騎兵經過勇猛和反覆的衝擊，「頂住了使他們慘遭傷亡的強壓火力」，沖至格蘭特的臨時指揮部附近，有的距敵僅有四五十米。
對蒙古騎兵來說，就是這四五十米的距離，也是一道難以穿越的鬼門關。一字排開的英軍狙擊手開始進行輪番射擊，騎兵們先沖向右方，發現右方火力熾熱，又迅速轉向左方進行迂迴，然而始終無法衝破敵人密集的彈雨。
看到騎兵衝鋒未能生效，僧格林沁親自出馬，指揮騎兵冒著炮火在南路與西路之間進行穿插，試圖分割敵人的陣勢，但關鍵時刻，南路部隊卻率先潰敗下來。
南路部隊由勝保指揮的五千京旗兵組成。戰前勝保派人給主攻南路的法軍送信，說如果聯軍繼續進攻，他就要將兩名人質給殺掉。
這兩個人質一為法國牧師，一為英軍上尉，如果是額爾金或者格蘭特，肯定要為此猶豫半天。法軍統帥孟斗班急於建功，哪裡顧及人質死活，他二話不說就下令部隊展開了進攻。
勝保素來有點二愣子脾氣，一看，你們還真打，當我說話放屁是不是？立即把兩名人質拖過來，一刀一個，殺了之後把屍體扔進了運河。接著他騎馬跑到陣前，朝著法軍大叫：「我是勝保，爾等可曾聽過我的名號？」
法軍倒是知道僧格林沁，卻哪裡聽過什麼勝保，不過見他戴著紅頂花翎，騎著馬到處跑來跑去，便知道是一員高級指揮官，遂集中火炮朝他進行轟擊。勝保當即中彈落馬，所部大旗亦被炸斷。值得慶幸的是，雖然他的乘馬幾乎被炸爛了，其左頰、左腿也俱被彈片打穿，然而人居然還沒死，僅受重傷。
在北方將領中，勝保的名氣僅次於僧格林沁，但他的軍事才能其實只是一般，臨時歸其指揮的京旗兵又久不訓練，戰鬥力很弱，最後法軍用僅僅陣亡三人的代價就打通了南路。這一仗令孟斗班得了勢，自覺在英國人面前有了資本，法國國王拿破崙三世獲得消息後，居然也不倫不類地給他授予了一個名為「八里橋伯爵」的爵位。