義和團在天津奮戰近一個月，斃傷大量侵略軍，打傷了意大利司令官、美國戒嚴司令官等高級軍官，炮擊或摧毀了英租界工部局——戈登堡、德軍司令部和沙俄領事館等，使侵略者一度計劃撤出天津，大長了中國人民的志氣，大滅了帝國主義的威風。舒殘顎副連帝國主義分子也不得不承認：「華人此次甚勇敢，為從來所未見，向尚不信其有此耐戰之心，目下觀之，彼等之勇猛及耐心之處，較被圍西人之心更勝矣。」
聯軍不斷增加了兵力。在張家窩高村設壇的劉十九，與李存義組織義和團三萬餘人在華家莊東南，姚村、潘家樓以北，侯檯子以西即現津西青區工農聯盟農場一帶，與八國聯軍大戰，擊斃聯軍一百餘人，史稱「北窪大戰」。
7月9日，正當直隸提督聶士成奉命率領武衛前軍從天津城南迂迴進攻紫竹林租界地時，一支由英、俄、日等國侵略者組成的聯軍經東樓、黑牛城奔襲紀莊子，試圖由紀莊子通過八里台包抄聶士成軍隊的後路，進而直取天津南城門，以解除紫竹林租界地受義和團圍攻的局面。
紀莊子與周邊的李七莊、王蘭莊、梨園頭等村莊是在大南河設壇的韓以禮率領的「乾」字號義和團的駐守地。
韓以禮得知侵略軍來犯的消息後，立即指揮團眾埋伏於紀莊子橋東蘆葦地裡宄。
當第一批敵騎兵來犯時，義和團團眾用長鉤將敵人鉤下馬，再用大刀砍殺，使敵人死傷慘重。不久，敵人援兵趕到，200多名侵略者從莊北衝到橋東，義和團的勇士們憑藉著毛瑟槍和大刀、長矛與敵展開肉搏戰，打退了敵軍的多次進攻。後因義和團援軍遲遲不至，而侵略軍不斷增兵，義和團在不得已的情況下，退往王頂堤方向，紀莊子失守。在這場激戰中，由1400多名愛國團民和老百姓組成的抗擊侵略者隊伍全軍覆沒。
侵略軍擊敗義和團，然後與其它聯軍夾攻聶士成。
9日凌晨八國聯軍六千人開始向駐守天津南門外八里台的聶軍反撲，由於兵力懸殊，聶士成部陷入聯軍重重包圍之中湘。
聶士成，字功亭，自小好行俠仗義，投身淮軍，參與對太平軍和捻軍的作戰，他還參加過中法戰爭、甲午戰爭，屢立戰功。1900年7月9日拂曉，八國聯軍以猛烈炮火猛撲八里台陣地，彈如雨下，聶士成兩腿均受槍傷，仍督兵不退。
聶士成的軍隊已嚴重減員，他手下人建議請求增援，聶士成就說無援可增，準備打吧。
這時李存義帶尚雲祥、韓慕俠等十幾名步法刀法皆好的義和團戰士衝入敵陣，一通劈崩鑽炮想為聶士成解圍。
但聶士成一直身著正裝朝服，外國鬼子們也懂得擒賊先擒王的道理。因為朝服比較艷麗、顯眼，所以他成為外軍呢進攻的一個主要目標，最後他騎在馬上兩腿都被打斷，晃晃悠悠騎在馬上，身上也很多處受傷，但他還是揮刀向前。
營官宋占標勸止聶士成稍避，聶奮不可遏，仍復持刀督戰，直至兩腮均被敵彈洞穿，頸側、腦門等處均受重傷，腸出寸許，壯烈殉國。
由於清軍和義和團抵抗頑強，7月10日，英國.軍艦阿爾及靈號將南非戰場上使用的「列低炮」運至天津戰場，英國奧蘭度艦准尉吉普斯在《華北作戰記》一文中提到：
星期三，7月11日，凌晨三點，中國人大舉進攻車站，決心要攻下它，他們在黑夜中前進，我們從大沽運來的四英吋口徑大炮第一次使用上了，八國聯軍用「列低炮」向駐紮在陳家溝的清軍開火，清軍還按以往躲避炮彈的方法藏在掩體後，但炮彈爆裂、綠煙瀰漫，不管屋前屋後、屋裡屋外，聞者即死，原來八國聯軍使用了國際公法禁止的毒氣彈。
7月12日，八國聯軍各路增兵約一萬四千人均已到來，7月13日凌晨，八國聯軍分兩路向天津老城發起總攻，美國隨軍記者西德尼記錄了他的見聞：
炮彈在頭頂像撕開布匹一般撕裂空氣，子彈呼嘯著一路射向田野，透過城門洞可以看到已成為廢墟的中式建築物在炮火的煙霧中變得模糊了。高個子戴著包頭的穆斯林和錫克人的頭，高聳在矮小的日本人中間，一大群穿著藍色襯衣的美國兵和穿卡嘰布的威爾士火牆手到來來往往，這是地球上各國不同種族的大扎堆，成群的中國人在他們高大的城牆下蔑視地向世界列強開炮射擊。
當時中國有一個世界上最先進的一個火藥和武器製造廠，就是天津機器局東局，它也是聯軍的一個攻打的目標，聯軍即將佔領機器局的時候，兩位清軍的軍官就主動點燃了炸藥庫，和這個機器局同歸於盡，這樣就使清軍失去了武器上以及其他方面的給養。
聶士成犧牲後，馬玉昆等清軍將領對義和團的態度變化。馬玉昆部讓拳民充先鋒，卻在後面槍殺拳民。例如在7月9日夜間攻打租界的戰鬥中「華兵在後，義和團在前，合攻租界；洋兵開排槍御之，天明而止，計轟斃義和團二千餘名……拳眾持刀前行，洋兵開槍轟擊，前列者已死；在後者，官兵即用槍擊死。故是夕拳眾死者如此之多，並非皆洋兵打死」。後來抵達天津的宋慶也「遇團即殺」。結果是「半日間城內外樹旗設壇者皆散去」，大大削弱了自己的力量。而聯軍卻在做好充分準備後於7月13日對天津發動總攻。
南門主要是日軍攻打，日軍利用了漢奸鄭殿芳。鄭殿芳是從北京過來的，他通過多路探聽呢，知道南門有一部分以前倒塌過，他對日軍說如果炸那兒會非常容易。
1900年7月14日凌晨五時，部分日軍扮作義和團欺騙守軍打開了城門，他們立刻用炸藥炸開南城牆一段，八國聯軍趁機一擁而入。
天津失陷。聯軍設立「天津都統衙門」對天津進行殖民統治。
南門失守後，堅守天津城的清軍與義和團腹背受敵，不得已撤出城外，天津城落入八國聯軍之手。
這是中國.軍隊從1840年以來第一次有效的城市保衛戰，所以這也是為什麼在八國聯軍佔領了北京之後，簽訂了《辛丑條約》，它要求第一條就是天津城牆必須拆毀，因為那個對它太慘痛了，日軍的記載裡頭充滿了對中國對手們的敬重感，也在這個天津保衛戰的。
天津攻防戰的過程當中，英軍底下的一支威海衛華勇營，全是中國人，他們代表英軍參與了攻城，也在這個戰鬥當中展現了卓越的戰鬥力，得到了西方媒體的一致好評，認為你看中國人是好士兵，他們即使在英國國旗之下，對抗自己的同胞，他們也打得非常的英勇。
按照英國當時的很多報道的口氣，中國是一個非常偉大的民族，中國是能夠成為軍事上的強國，但是他們需要一個好的領導，那就是我們英國，它是這麼一個邏輯過來，那麼在這次天津失守了之後，八國聯軍就非常順利地推進到了北京。
天津淪陷八國聯軍進入天津時，時人記載了聯軍入城的情況。
拂曉天津城破，居民爭向北門逃走，多被洋兵打死街頭，洋兵大肆搶掠，首當其衝的是當鋪、金號、銀號，然後是再搶其他商家和大戶人家，各衙署也都被搗毀。
聯軍入城後縱兵大掠、死人如麻，時人記載。
城中有鼓樓一座，洋人率教民登樓，見北門擁擠不得出，連放排槍，每一排必倒斃數十人，又連放開花炮，其彈於人叢中衝出城門外，死者益眾，而爭逃者益多，有被彈死者，有失足被踐死者。
破城之日，天津老城從鼓樓至北門外水閣，積屍數里，商業中心地帶，如城北的估衣街、鍋店街、竹竿街、肉市口都遭洗劫，城東的宮南、宮北、小洋貨街一帶盡被搶光，西門被殺者不計其數，屍體堆積如山，海河上漂屍阻塞河流，三天不能理清，美國隨軍記者西德尼寫道。
14日天津城內屍橫遍野，人們被殺時姿態各異，在一座房子裡有三具屍體擁擠在一個角落裡，一個靠著一個，像是同伴們為了取暖一樣，護養擁抱著，一張桌子被掀翻蓋在他們上面，到處是成群的蒼蠅。
7月15日，俄軍於黑龍江海蘭泡越境，悉數屠殺華民六千多人。
7月28日，主和的大臣許景澄及袁昶被清廷處死。
天津城失陷後，李存義帶尚雲祥等人轉戰北京。天津義和團領袖曹福田逃去了靜海。不幸，在靜海王家口，遭到清朝護理直隸總督廷雍的殺害。
八國聯軍攻陷天津後直隸總督裕祿上書請辭，被慈禧革職留用，7月8日，調任李鴻章為直隸總督，但李鴻章遲遲不願北上赴任。
張德成死後，他的弟弟自稱「靜海王」，領導義和團戰士堅持同帝國主義及其走狗進行鬥爭。
林黑兒不知所蹤，有人說戰死了，有人說被洋人擄走到各國展覽了。其實林黑兒的壇口就設在船上。農曆六月初三紅燈照首領「黃蓮聖母」林黑兒來到楊柳青，打算在文昌閣設壇，但遭到士紳石元仕的反對。石元仕說，文昌閣崇文書院乃儒學聖地，向來不准婦女過橋，馬莊有娘娘廟，大梁莊有九聖廟、河灘寺均可設壇，請林黑兒斟酌。林黑兒後來聽了張德成的建議，順流到南運河侯家後設壇，所乘大船常停泊于歸賈胡同北口的南運河上。如今人們在大胡同後的運河岸邊樹立了一塊刻有「黃蓮聖母泊川處」的石碑，以紀念她。當時船就停在運河上，看到天津陷落她便拔錨逆流而上回到了山東，並成為當地民間組織紅槍會的首領。是大運河保護了她。
儘管後來義和團運動失敗了，但它在大運河兩岸，在西青大地已經播下了革命的火種。後來敬愛的周恩來總理指出「1900年的義和團運動正是中國人民頑強地反抗帝國主義侵略的表現，他們的英勇鬥爭是50年後中國人民偉大勝利的奠基石之一」。
8月2日，聯軍集兵二萬自天津沿運河兩岸進發，日軍有8000人、俄軍3500人、英軍2500人、美軍2000人、法軍1000人，奧軍和意軍僅不到百人，拿著國旗虛張聲勢。
8月4日，聯軍向北京進逼。次日，八國聯軍進抵北倉，受到清軍馬玉昆、呂本元等部及李存義所部義和團阻擊。