1900年6月16日，西摩爾所率領的聯軍遭到清軍董福祥部甘軍的進攻，被迫后撤，撤退中又被義和團襲擊。6月20日，聯軍開始沿運河向天津撤退，沿途仍不斷遭到義和團及清軍聶士成部的襲擊，死傷數百人，最終在千余援軍的接應下退入天津租界。

就在西摩爾遭到義和團和清軍阻擊的同時，聯軍開始了對大沽炮臺的進攻。根據以往所簽的不平等條約，列強艦船是可以自由出入白河口而不受任何阻攔的。1900年5、6月間，鑒于形勢的緊張，列強不斷在白河口集結艦船、士兵備戰，清軍也加強了炮臺的守備，布設水雷，封鎖航道，阻止敵軍艦船出入。于是，聯軍即以此為借口，由俄國海軍副司令海爾布德朗出面，于6月16日向大沽炮臺守軍發出最后通牒，限令守軍在17日凌晨2時前交出炮臺，否則將武力奪取。清軍守將羅榮光當即拒絕了最后通牒，并下令準備戰斗，同時上報駐于天津的直隸總督裕祿，要求增援。

6月17日凌晨，在距最后通牒限定的時間還有70分鐘的時候，聯軍軍艦開始向大沽炮臺開炮，清軍立即還擊，戰爭正式爆發。幾個小時后，聯軍相繼占領南北炮臺，大沽炮臺全部失守，守軍大部陣亡。

6月17日，慈禧召集第二次御前會議。6月18日，當時清廷還不知道大沽炮臺已經失守，但是已經收到了直隸總督裕祿派人送來的聯軍的那份最后通牒，于是，慈禧召集了第三次御前會議商量是否要與列強開戰。6月19日，大沽口已經開戰的消息傳到北京，京城上下群情激憤，義和團也出現了要進攻東交民巷（當時各國使館都在這一帶）的跡象，慈禧趕忙召集第四次御前會議。在這次會議上，主戰派的意見最終占據了上風。

當時，光緒帝還存有依靠列強恢復權力的幻想，因此帝黨大臣都“對外主和，對內主剿”，主張與列強媾和，全力鎮壓義和團。以慈禧為首的后黨本來也不愿與列強開戰，但由于大阿哥事件，慈禧與列強結怨，因此在主戰派載漪的極力慫恿下，她最終決定與各國翻臉。

6月19日，慈禧照會各國公使，提出強烈抗議，并要求他們在24小時內離開北京前往天津。當晚，公使們復函清政府，請求延期赴津，并希望能夠在次日上午9點前得到答復。6月20日一早，德國公使克林德離開東交民巷，前往清政府總理衙門交涉公使撤離之事，在途中恰好遇上端郡王載漪的虎神營官兵巡邏，克林德被清軍擊斃，這就是著名的“克林德事件”。擁有外交豁免權的克林德被殺，使列強堅定了對中國用兵的決心。

6月20日下午，大批中國人開始圍攻東交民巷的外國使館，請注意，這些中國人并不是義和團團民。早在義和團開始圍攻北京教堂時，慈禧就已經派榮祿率軍前往東交民巷保護使館了，東交民巷內有護館洋兵，外有清軍保護，手持大刀長矛的義和團是很難發動進攻的，因此，進攻使館的主力一定不是義和團。事實上，對使館發動進攻的正是“執行保護任務”的榮祿的軍隊，后來董福祥也率軍加入了進攻使館的戰斗。

6月21日，慈禧接到裕祿派人送來的奏折，證實大沽和天津已經開戰。當日，慈禧以皇帝的名義頒布了《宣戰詔書》，下達了戰爭動員令，表示要與列強開戰，同時，慈禧也決定借助義和團的力量來抵御外國入侵。在清政府的支持下，京津地區的義和團迅速發展。

其實，早在宣戰之前，義和團和清軍就已經在天津與聯軍開戰了，他們圍困并炮擊了天津租界，聯軍因兵力單薄而掛白旗拒戰，但由于當時清軍最高指揮官裕祿并未下決心開戰，因此清軍喪失了最有利的戰機。從宣戰后的6月22日開始，開赴天津的清政府軍隊越來越多，聯軍也派兵從大沽乘火車增援天津，雖然沿途遭到了義和團和清軍的猛烈阻擊，但在租界內聯軍的接應下，援軍最終仍進入了租界，再加上從前方退回天津的西摩爾部，天津租界內的聯軍數量大大增加。

轉過來繼續說北京方面。在對使館的進攻中，慈禧刻意避開了公使們聚集的英國使館，而著重進攻其它使館，這顯然是為了給自己留條后路。然而，慈禧的這一策略卻一直受到外界的干擾。6月25日，端郡王載漪和莊親王載勛帶著60多名義和團團民沖進了皇宮，聲稱要殺掉和洋人一條心的光緒皇帝，慈禧揭穿了二人趁機作亂的企圖，殺掉了為首的團民。隨后，出于對義和團失去控制的担心，慈禧傳令榮祿停止進攻使館，還派榮祿在使館外樹立了“奉旨保護”牌子。誰知僅僅三個小時后，慈禧收到了天津方面傳來的消息，說大批聯軍增援部隊已經從大沽口出發，而負責截斷西摩爾退入天津的清軍亦已戰敗，于是慈禧不得已再次下令開始進攻東交民巷。 

天津方面，聯軍雖然兵力增加了，但仍處于義和團和清軍的包圍之中，缺少食物，房屋毀壞，因此聯軍指揮官決定采取固守措施，各國軍隊分別負責一塊區域進行防守。從6月22日至29日，雖然圍攻租界的清軍和義和團士兵共有近5萬人，但并沒有給予聯軍以毀滅性的打擊，而且從慈禧于29日發給八國使節的電報及于7月3日發給英、日、俄三國元首的國書來看，慈禧也并沒有下定決心與八國誓死一戰，反而表達了求和的愿望。

整個6月下旬到7月初，英、日、俄、德四國相繼大舉增兵，在大沽登陸的聯軍約有一萬四千人，已抵天津租界的約八千至一萬人；同時，在津清軍也逐漸增至兩萬四五千人，義和團則增至五萬人。

7月5日，清軍開始三面進攻租界內的聯軍，義和團也積極配合作戰，給予了聯軍一定程度的打擊。為了解除清軍威脅，7月9日，聯軍集中優勢兵力進攻跑馬場，迫使清軍后退，隨后又圍攻八里臺，清軍守將聶士成率軍奮戰，重傷殉國，天津城外眾多戰略據點均為聯軍占領。

7月8日，慈禧電令李鴻章進京，任命其為直隸總督兼北洋大臣，開始為日后和談大臣的身份進行準備，一時間和議之聲傳遍前線，加之聶士成部隨后戰敗，清軍遂停止進攻，轉而鎮壓義和團，前線局勢急轉直下。聯軍方面則因大沽援軍不斷到達，而開始由防御轉入進攻。

7月12日，天津租界內的聯軍已增至一萬七千余人，見清軍進攻已經停止，聯軍遂決定進攻天津城。7月14日，聯軍攻入天津，清軍撤逃，城內義和團團民大部慘遭屠殺，而聯軍也死傷近千人。

天津陷落的消息傳到北京，慈禧太后驚慌失措。7月16日，慈禧下令清軍停止進攻東交民巷，她“聯拳抗洋”、“以戰促和”的決心愈發動搖。

7月17日，身在廣州的李鴻章啟程沿海北上。其實，打從一開始，李鴻章就堅決主張鎮壓義和團，但沒有引起重視，直到北京的局勢日益惡化，慈禧才數次電令他進京。李鴻章接到命令后，雖然答復說“立刻遵旨北上”，但卻始終沒有離開廣州一步。后來慈禧對列強宣戰，再度催促李鴻章北上勤王，可李鴻章卻認為國家實力薄弱，魯莽開戰必遭滅頂之災，因此稱慈禧之命為“亂命”，拒不奉詔。兩江總督劉坤一、湖廣總督張之洞等南方大臣在獲悉李鴻章的態度后，確定了共同抗旨以求東南互保的原則。同時，南方大臣們還不斷上書慈禧，希望朝廷能夠盡快開始和談，李鴻章則趁此機會等待時機。

到天津失守，慈禧立場動搖后，李鴻章覺得自己的主張有可能實現了，同時天津的迅速失陷也給他帶來了極大的震動，這一切最終促使李鴻章決定立刻北上。