5月中旬，英法联军舰队集结完毕。5月20日上午8时，额尔金和葛罗分别发出最后通牒，要求让四国公使前往天津，并限令清军在两小时内交出大沽炮台，否则即以武力占领。10时，联军炮艇开入口内，分列两队，同时开炮轰击南北两岸炮台。同时，由660名英军与518名法军组成的登陆部队，也分别向两岸清军发起进攻。当时，北岸炮台由游击沙春元率部防守，南岸的主炮台由总兵达年和游击德魁率部防守，左炮台由都司讷勒和等率部防守，右炮台由游击陈毅等率部防守。四座炮台的防兵已增加到3000人，大炮200余门。当英法联军发起进攻时，各台守兵奋起反抗，击沉敌舢板4只，毙敌近百名。法炮艇“霰弹”号遭到重创，艇长被打死，11人被打伤。但交战不久，北炮台的三合土顶盖便被击毁，南炮台炮墙亦被轰塌，许多大炮被炸毁，守台官兵遭敌炮轰击，伤亡甚重。11时，联军两支陆战队乘舢板强行登陆，接近炮台。守台清军冲出炮台，与敌人展开肉搏战。
正当各台守军与敌人浴血奋战之际，后方坐镇的谭廷襄、钱炘和等人却畏敌怯战，不但不组织部队增援，反而率先仓皇逃跑，后方清军随之相率溃散一空。各炮台守军终因后援不继，力不能支。北岸炮台守将沙春元、南岸右炮台守将陈毅中弹殉国。各炮台遂相继失守，所有火炮、器械尽被敌军掠获。5月26日，英法联军炮艇沿白河而上，兵迫天津城下。