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6月13日晚，西摩爾率領侵略軍到達廊坊軍站。第二天清晨，義和團攻進這座車站，殺死侵略軍多人。幾天以後，義和團再向據守在廊坊的侵略軍猛攻，殲敵幾十人。侵略軍被迫撤退到楊村車站，又遭到義和團狙擊，死傷幾十人。侵略軍沿運河向天津倉皇逃命。後來西摩爾回憶這件事說：“義和團所用設為西式槍炮，則所率聯軍必全體覆沒。”
為了控制大沽到天津的通道，6月中旬，聚集在俄國軍艦上的各國海軍司令，向大沽清軍守將羅榮光發出最後通牒，威迫中國守軍交出炮臺。羅榮光嚴詞拒絕。侵略軍向大沽炮臺以起進攻。羅榮光率部英勇抵抗，殲敵100多人，擊沈擊傷敵艦6艘。經過幾小時激戰，大沽炮臺失守。
侵略軍攻下大沽炮臺以後，大舉向天津進犯。義和團猛烈打擊敵人。在戰鬥中，守衛天津的清軍將領聶士成陣亡。天津很快陷落。侵略軍成立都統衙門，對天津實行殖民統治。
義和團和部分清軍同2000多名俄國侵略軍在老龍頭車站展開激戰，殲敵500多人。位於紫竹林東面的北洋機器局是清政府在華北最大的兵工廠。6月下旬，侵略軍出動2800多人包圍北洋機器局，義和團和清軍拼死堅守，多次打退敵人的進攻。
在北京，德國公使克林德肆意槍殺義和團民。憤怒的義和團民向東交民巷的外國使館發動猛烈進攻，燒毀比、奧、荷、意四國使館。進攻西什庫教堂的義和團也與侵略軍展開激戰。
清政府雖然被迫向各國宣戰，但是沒有真正抵抗的決心。慈禧太後很快就下令停止攻擊使館，繼而派人給使館送去米面、蔬菜、瓜果等物品。
8月，人微言輕聯軍攻陷北京，各國實行分區占領。慈禧太後帶令光緒帝逃往西安。侵略軍在北京公開劫掠，屠殺無辜，奸淫婦女，無惡不作犯下駭人聽聞的罪得。聯軍統帥德國人瓦德西在紫禁城內設立聯軍司令部，統治北京城。
北京“城破之日，洋兵殺人無算”。侵略軍實行公開搶劫，大批珍貴文物和古籍圖書被洗劫壹空。戶部庫存的白銀300萬兩被日軍搶去，欽天監的古銅天文儀器被德法兩國瓜分。“紫禁城內各宮殿，盡為寇兵分國占據三海、萬壽山頤和園等處，……各宮中累代珍異皆為日人捆載以去。”在這次浩劫中，明代《永樂大典》以及各種珍本圖書損失達4萬余冊。侵略軍搜捕義和團為名，“三五成群，身挎洋槍，手持利刃，在各街巷挨戶踹門而入。臥房密室，無處不至，翻箱倒櫃，無處不搜。凡銀錢、鐘表、細軟值錢之物，劫掠壹空，謂之擾城。稍有攔阻，即被戕害。”