1900年6月16日，西摩尔所率领的联军遭到清军董福祥部甘军的进攻，被迫后撤，撤退中又被义和团袭击。6月20日，联军开始沿运河向天津撤退，沿途仍不断遭到义和团及清军聂士成部的袭击，死伤数百人，最终在千余援军的接应下退入天津租界。

就在西摩尔遭到义和团和清军阻击的同时，联军开始了对大沽炮台的进攻。根据以往所签的不平等条约，列强舰船是可以自由出入白河口而不受任何阻拦的。1900年5、6月间，鉴于形势的紧张，列强不断在白河口集结舰船、士兵备战，清军也加强了炮台的守备，布设水雷，封锁航道，阻止敌军舰船出入。于是，联军即以此为借口，由俄国海军副司令海尔布德朗出面，于6月16日向大沽炮台守军发出最后通牒，限令守军在17日凌晨2时前交出炮台，否则将武力夺取。清军守将罗荣光当即拒绝了最后通牒，并下令准备战斗，同时上报驻于天津的直隶总督裕禄，要求增援。

6月17日凌晨，在距最后通牒限定的时间还有70分钟的时候，联军军舰开始向大沽炮台开炮，清军立即还击，战争正式爆发。几个小时后，联军相继占领南北炮台，大沽炮台全部失守，守军大部阵亡。

6月17日，慈禧召集第二次御前会议。6月18日，当时清廷还不知道大沽炮台已经失守，但是已经收到了直隶总督裕禄派人送来的联军的那份最后通牒，于是，慈禧召集了第三次御前会议商量是否要与列强开战。6月19日，大沽口已经开战的消息传到北京，京城上下群情激愤，义和团也出现了要进攻东交民巷（当时各国使馆都在这一带）的迹象，慈禧赶忙召集第四次御前会议。在这次会议上，主战派的意见最终占据了上风。

当时，光绪帝还存有依靠列强恢复权力的幻想，因此帝党大臣都“对外主和，对内主剿”，主张与列强媾和，全力镇压义和团。以慈禧为首的后党本来也不愿与列强开战，但由于大阿哥事件，慈禧与列强结怨，因此在主战派载漪的极力怂恿下，她最终决定与各国翻脸。

6月19日，慈禧照会各国公使，提出强烈抗议，并要求他们在24小时内离开北京前往天津。当晚，公使们复函清政府，请求延期赴津，并希望能够在次日上午9点前得到答复。6月20日一早，德国公使克林德离开东交民巷，前往清政府总理衙门交涉公使撤离之事，在途中恰好遇上端郡王载漪的虎神营官兵巡逻，克林德被清军击毙，这就是着名的“克林德事件”。拥有外交豁免权的克林德被杀，使列强坚定了对中国用兵的决心。

6月20日下午，大批中国人开始围攻东交民巷的外国使馆，请注意，这些中国人并不是义和团团民。早在义和团开始围攻北京教堂时，慈禧就已经派荣禄率军前往东交民巷保护使馆了，东交民巷内有护馆洋兵，外有清军保护，手持大刀长矛的义和团是很难发动进攻的，因此，进攻使馆的主力一定不是义和团。事实上，对使馆发动进攻的正是“执行保护任务”的荣禄的军队，后来董福祥也率军加入了进攻使馆的战斗。

6月21日，慈禧接到裕禄派人送来的奏折，证实大沽和天津已经开战。当日，慈禧以皇帝的名义颁布了《宣战诏书》，下达了战争动员令，表示要与列强开战，同时，慈禧也决定借助义和团的力量来抵御外国入侵。在清政府的支持下，京津地区的义和团迅速发展。

其实，早在宣战之前，义和团和清军就已经在天津与联军开战了，他们围困并炮击了天津租界，联军因兵力单薄而挂白旗拒战，但由于当时清军最高指挥官裕禄并未下决心开战，因此清军丧失了最有利的战机。从宣战后的6月22日开始，开赴天津的清政府军队越来越多，联军也派兵从大沽乘火车增援天津，虽然沿途遭到了义和团和清军的猛烈阻击，但在租界内联军的接应下，援军最终仍进入了租界，再加上从前方退回天津的西摩尔部，天津租界内的联军数量大大增加。

转过来继续说北京方面。在对使馆的进攻中，慈禧刻意避开了公使们聚集的英国使馆，而着重进攻其它使馆，这显然是为了给自己留条后路。然而，慈禧的这一策略却一直受到外界的干扰。6月25日，端郡王载漪和庄亲王载勋带着60多名义和团团民冲进了皇宫，声称要杀掉和洋人一条心的光绪皇帝，慈禧揭穿了二人趁机作乱的企图，杀掉了为首的团民。随后，出于对义和团失去控制的担心，慈禧传令荣禄停止进攻使馆，还派荣禄在使馆外树立了“奉旨保护”牌子。谁知仅仅三个小时后，慈禧收到了天津方面传来的消息，说大批联军增援部队已经从大沽口出发，而负责截断西摩尔退入天津的清军亦已战败，于是慈禧不得已再次下令开始进攻东交民巷。 

天津方面，联军虽然兵力增加了，但仍处于义和团和清军的包围之中，缺少食物，房屋毁坏，因此联军指挥官决定采取固守措施，各国军队分别负责一块区域进行防守。从6月22日至29日，虽然围攻租界的清军和义和团士兵共有近5万人，但并没有给予联军以毁灭性的打击，而且从慈禧于29日发给八国使节的电报及于7月3日发给英、日、俄三国元首的国书来看，慈禧也并没有下定决心与八国誓死一战，反而表达了求和的愿望。

整个6月下旬到7月初，英、日、俄、德四国相继大举增兵，在大沽登陆的联军约有一万四千人，已抵天津租界的约八千至一万人；同时，在津清军也逐渐增至两万四五千人，义和团则增至五万人。

7月5日，清军开始三面进攻租界内的联军，义和团也积极配合作战，给予了联军一定程度的打击。为了解除清军威胁，7月9日，联军集中优势兵力进攻跑马场，迫使清军后退，随后又围攻八里台，清军守将聂士成率军奋战，重伤殉国，天津城外众多战略据点均为联军占领。

7月8日，慈禧电令李鸿章进京，任命其为直隶总督兼北洋大臣，开始为日后和谈大臣的身份进行准备，一时间和议之声传遍前线，加之聂士成部随后战败，清军遂停止进攻，转而镇压义和团，前线局势急转直下。联军方面则因大沽援军不断到达，而开始由防御转入进攻。

7月12日，天津租界内的联军已增至一万七千余人，见清军进攻已经停止，联军遂决定进攻天津城。7月14日，联军攻入天津，清军撤逃，城内义和团团民大部惨遭屠杀，而联军也死伤近千人。

天津陷落的消息传到北京，慈禧太后惊慌失措。7月16日，慈禧下令清军停止进攻东交民巷，她“联拳抗洋”、“以战促和”的决心愈发动摇。

7月17日，身在广州的李鸿章启程沿海北上。其实，打从一开始，李鸿章就坚决主张镇压义和团，但没有引起重视，直到北京的局势日益恶化，慈禧才数次电令他进京。李鸿章接到命令后，虽然答复说“立刻遵旨北上”，但却始终没有离开广州一步。后来慈禧对列强宣战，再度催促李鸿章北上勤王，可李鸿章却认为国家实力薄弱，鲁莽开战必遭灭顶之灾，因此称慈禧之命为“乱命”，拒不奉诏。两江总督刘坤一、湖广总督张之洞等南方大臣在获悉李鸿章的态度后，确定了共同抗旨以求东南互保的原则。同时，南方大臣们还不断上书慈禧，希望朝廷能够尽快开始和谈，李鸿章则趁此机会等待时机。

到天津失守，慈禧立场动摇后，李鸿章觉得自己的主张有可能实现了，同时天津的迅速失陷也给他带来了极大的震动，这一切最终促使李鸿章决定立刻北上。