攻陷天津后，联军稍加休整，即准备进攻北京。此时在天津集结的总兵力为：日军8000人，统帅为山口素臣；俄军4800人，统帅为利涅维奇；英军3000人，统帅为盖斯里；美军2100人，统帅为沙飞，法军800人，统帅为福里；德军200人，奥军58人，意军53人。总计19000多人。天津清军和义和团退守杨村一带，清军除宋庆，马玉崑残部外，袁世觊手下的登州镇总兵夏辛酉所统六营来援，继而，升允、张春发、陈泽霖三军由山西、湖广、两江进驻河西务、落垡一线。
7月27日至8月3日，联军举行三次联席会议，决定8月4日大举进犯北京。4日下午联军从天津出发，日、英、美军13000多人沿北运河西岸向前推进，俄、法等国军队6000多人沿北运河东岸向前推进。8月7日联军攻至杨村，杨村一马平川无险可守，刚一交锋，宋庆、马玉崑部即溃不成军，向通州奔逃。直隶总督裕禄在该部中，逃至杨村北蔡村时仅剩几名随从，联军紧追不舍，裕禄见大势已去，便举起手枪自杀身亡。
这时帮办武卫军务大臣李秉衡率军出京赴前线迎敌。李秉衡原为山东巡抚，山东巨野教案发生后被改授四川总督、巡阅长江水师大臣。联军侵占大沽口后，他应诏赴京御敌。7月26日被任命为帮办武卫军务大臣，地位仅次于军机大臣荣禄。8月6日他率部由北京出发，次日抵北京东南的码头，正遇夏辛酉部，得知北仓已经失守，便进驻河西务迎敌，这时马玉崑部撤退至此，李秉衡令他坚守御敌，并说，军法有进无退，况且我军合并尚有三四万人，应当全力抗敌。马玉崑却不听指挥，闻风向南苑逃去。李秉衡便率本部并张春发、万本华两部于河西务抗击联军。夏辛酉和陈泽霖两部也在码头一带抗击联军，但由于仓促应战，终于力不能支被联军冲垮，四离逃散。8月11日李秉衡退至张家湾，身边只剩几名随从，于是写下遗书，服毒自尽。李秉衡殉国后，8月12日联军攻下通州，13日攻至北京城下。
此时聚集于北京城下的联军，计有：日军步兵6600人，骑兵220人，工兵450人，大炮53尊；俄军步兵1830人，骑兵180人，大炮22尊；英军步兵1600人，水兵150人，骑兵75人，大炮6尊；法军步兵4000人，大炮18尊。北京城内守军，计有：荣禄的武卫中军和董福祥的甘军15000人，神机营、虎神营15000人，宋庆、马玉崑部1000多人，再加上直隶练军和各地的“勤王”军，总计不下8万人。北京城池坚固，本来可以固守，但慈禧此时准备西逃的主意已定，所以清军大部分已无战心，纷纷散去，唯有董福祥部甘军尚有一定战斗力。
8月13日夜至14日凌晨，俄军偷袭东便门，驻守清军董福祥部和义和团顽强抗击，力不能支，退守建国门，于此双方展开激战，俄军以大炮轰城，守军在城墙上居高临下射击，城下遍布俄军尸体，连攻城头目华西里也被击毙。与此同时，日军8000名向朝阳门、东直门发起进攻，英军3000名向广渠门发起进攻。14日下午2时，俄军、日军、英军分别攻破城门，长驱直入，15日至16日联军攻入皇宫紫禁城。守军全部撤出，北京城陷入联军之手。
8月14日，在隆隆的炮声中，慈禧几次召集御前文武大臣商议应急措施，但前来的大臣一次比一次少，最后连军机大臣荣禄也不见踪影了。当天夜里炮声一阵紧过一阵，慈禧失魂落魄，在一片喊杀声中，她套上一件农妇外衣，让李莲英给梳了个汉族式发髻，乘上骡车从北门出宫向德胜门狼狈逃窜而去。跟在后面的只有刚毅、载漪等十几名朝臣和100多名护卫。在逃跑之前，慈禧还不忘把恨之入骨的光绪的珍妃投入宫中井里。
慈禧出逃后，八国联军对北京进行了空前的洗劫，仅在庄王府里就用机关枪杀戮了集中到这里的义和团和平民1700多人，庄王府和端王府都被付之一炬。紫禁城、颐和园、三海和诸王府等处的珍宝几乎被劫掠一空。联军们还如野兽一般，见到妇女即行奸淫，在裱褙胡同一处，许多青年妇女被驱赶至此，分置于各室成了联军的“官妓”，联军随意奸宿，中国妇女备受凌辱。清廷的大小官员逃的逃，未及逃掉的则自杀或被杀。八国联军的滔天罪行，真可谓惨绝人寰，罄竹难书！
联军侵占北京后，即行对北京划分势力范围，进行瓜分。四牌楼以北为日军占领区；永定门以东，北至东珠市为英军占领区；永定门以西，北至骡马市为美军占领区；四牌楼以南由俄、奥、法、意分别占领。在德军入京后，又在俄军占领区旁更辟一德军占领区。而后各国联军要员又组成了“北京管理委员会”进行殖民统治。在帝国主义列强的蹂躏下，北京处处是目不忍睹的惨象。连联军统帅瓦德西也无法回避这一事实，他说：“联军占领北京之后，曾特许军队公开抢劫三日。其后便继以私人抢劫。”“即北京自身，亦因烧抢之劫而大受破坏。失所流离之民，据估计约有三十万人，但实际上似或多于此数；散居于该段之边，大半均在露天之下。”“抢劫时所发生之强奸妇女，残忍行为，随意杀人，无故放火等等，为数极属不少。”这便是瓦德西在《拳乱笔记》中的自供状。
北京失守的直接原因是清军坚守不力，联军依仗洋枪洋炮势不可挡，但从全局来看，清廷内部的矛盾和仇视乃至剿杀义和团，则是更深刻的原因。当联军进攻津、京时，两江总督刘坤一和湖广总督张之洞都有一定的军事实力，但他们与英帝国主义相勾结，一贯主张剿杀义和团。当义和团浴血抗击联军时，他们就联合致电清廷，要求“立计主剿，先剿后抗”，把矛头仍然对准义和团。当上谕“宣战”时，刘张则将其看作“拳党所为”，“概不奉行”。而与英帝国主义实行所谓“东南互保”，甚至对义和团。仍“严行查拿，立正典刑”。这就使北方津、京守军力薄势单，甚至存有二心，闻风而逃。慈禧更是首鼠两端，欲和又战，欲战又和，最后一逃了之，无法形成举国上下一心抗敌的局面。
慈禧出逃后，即命两广总督李鸿章为议和全权人臣，进京与联军议和。慈禧授意李鸿章，只要联军不坚持让她“归政”，就什么条件部可以答应，完全屈服。此时，帝国主义列强在瓜分中国上，为维护各自利益也发生了矛盾，沙俄为集中兵力侵占我国东北，力主议和撤军；法国是沙俄的盟国，首先追随沙俄；美国正忙于镇压菲律宾人民的抗美斗争，也想从中国撤出兵力；而德、英等国则竭力反对议和，力主扩大侵略战果，不但不承认李鸿章的议和代表资格，甚至扬言要逮捕他；日本则持骑墙态度，一时闹得沸沸扬扬。