1857年12月，英法聯軍在發出最后通牒的同時，從香港出發，進犯虎門，迅速突入珠江內河，兵臨廣州城下。1858年1月，英法聯軍攻占廣州，葉名琛被俘，被押往印度加爾各答。聯軍隨后組成以巴夏禮為首的“聯軍委員會”，并扶植投降賣國的柏貴建立了中國近代史上第一個地方傀儡政權。
占領廣州后，英、法、美、俄公使分別照會清政府，要求談判并簽訂新約，否則便北犯白河口。1858年3月底，清政府拒絕了聯軍的要求，于是早已聚集在上海的聯軍艦隊開始北上，英法聯軍第一次北犯開始。由于清政府一直認為英法不會真的北犯，只是威脅恫嚇罷了，因此一直沒有做戰爭準備，直到最后關頭，咸豐才下令沿海各要塞加緊布防。
1858年4月，英法聯軍艦隊抵達天津門戶大沽口。清廷答應談判，但要求英法美公使返回廣東、俄國公使返回黑龍江，在那里進行談判。5月20日，英法發出最后通牒，要求讓四國公使前往天津談判，并限令清軍在兩小時內交出大沽炮臺。就在當日，聯軍開始轟擊大沽炮臺，清軍傷亡慘重，炮臺失守。隨后，英法聯軍溯白河而上，直抵天津城下，并宣稱“如清廷不立即派全權代表前往天津談判，就先取天津，再攻北京”。咸豐皇帝得知后，急忙派大學士桂良、吏部尚書花沙納為欽差大臣，趕赴天津議和。6月，桂良等被迫接受了聯軍全部要求，相繼簽署了中英《天津條約》和中法《天津條約》；扮演“調停者”角色的美俄也誘逼清廷簽署了中美《天津條約》和中俄《天津條約》。
根據《天津條約》，中國不但向英法賠款，開放了更多的通商口岸，還允許了外國公使常駐北京，擴大了領事裁判權并修改了稅則。
對于《天津條約》的簽署，在清政府高層實際存在著很多反對意見，尤其是對“外國公使駐京”一條，但由于當時兵臨天津，京畿難保，咸豐皇帝才不得不采納桂良的建議，同意立刻簽約。所以，當1858年7月英法聯軍陸續南撤后，咸豐的態度就變化了，感到自己皇帝的尊嚴受到了損害，于是要桂良等利用去上海同英法代表談判通商章程之機，以全免進口稅為交換條件，取消《天津條約》中關于公使駐京、內河通商、內地游歷及賠償軍費等條款。10月，桂良、花沙納到達上海，幾經努力終于使額爾金讓步，答應英國公使駐于北京以外的地點，隨后簽訂了《通商章程善后條約》（該條約承認了鴉片貿易的合法化）。與此同時，咸豐皇帝接受惠親王綿愉等人的建議，加強了天津一帶的布防，重建大沽口炮臺，設置重兵以備不測。
在簽署《天津條約》時，清政府曾和列強約定隔年于北京換約。可是，到了1859年3，4月間英法美三國公使前來與清政府交換《天津條約》批準書時，清朝方面卻提出“希望在上海換約”，并讓桂良等為此作最后努力，萬一失敗，只要英法兩國的軍艦停泊在大沽口的攔江沙以外，兩國公使少帶從人，則也可同意他們在北京換約。
1859年6月，三國公使拒絕了桂良提出的在滬換約的建議，率艦隊抵達大沽口外，開始了英法聯軍第二次北犯。這時候，咸豐皇帝一方面令僧格林沁嚴守海口，一方面令直隸總管恒福照會英、法公使，指定他們由北塘登陸，經天津去北京換約，隨員不得超過20人，并不得攜帶武器。然而，英法堅持以艦隊經大沽口溯白河進京，武裝護送公使，并在行進過程中與清軍交火。清軍和聯軍的戰斗異常激烈，清軍多名將領陣亡，聯軍也損失了多艘戰艦，死傷數百人，其總司令也身負重傷，后在美國艦隊的幫助下，聯軍部隊撤出戰場。清軍取得了自第一次鴉片戰爭以來，對西方列強作戰的最大的一次勝利。
英法雖然戰敗，換約不成，但美國公使卻按照清政府的要求從北塘進京，返回北塘時與直隸總督恒福互換《天津條約》批準書，而俄國公使也在此前于北京換約。咸豐皇帝看到取得了對英法的勝利，“小勝即驕”，斷然撕毀了與英法的《天津條約》。
英法戰敗的消息傳回歐洲，輿論一片嘩然，公然叫囂對中國“實行大規模的報復”，“占領京城”。1859年底，英、法兩國分別任命額爾金、葛羅為特命全權代表，以格蘭特、孟托班為遠征軍總司令，組成新的侵華聯軍，其中英軍18000人，法軍7000人。1860年春，格蘭特、孟托班分別率英、法艦隊駛達上海集結，隨后開始了英法聯軍第三次北犯。聯軍先占舟山，又占大連、煙臺，完成了對渤海灣的封鎖，以此作為進攻大沽口的前進基地。
當時的清政府一心致力于對太平天國的戰爭，咸豐皇帝認為如今海防已經非常嚴密，且英法戰敗后必定心存畏懼，不敢盲目進攻，這次只不過是想“以戰求和”罷了，因此諭令僧格林沁、恒福等要以安撫、和談為主。頭年取得了大勝的僧格林沁也有驕傲情緒，為了讓英、法等國公使從北塘登陸進京，他竟撤掉北塘的守備，專守大沽口。這一消息隨即被俄國公使獲知，并告訴了英法聯軍。
1860年8月，英法聯軍從北塘登陸，未遇任何抵抗，順利占領北塘，駐守大沽口的僧格林沁沒有及時抽兵反擊，以致坐失戰機。北塘被占，咸豐帝感到事態嚴重，急令恒福妥善籌辦和議。但額爾金、葛羅拒絕了恒福提出的談判要求，并要清軍交出大沽炮臺。隨后，聯軍從北塘出發，攻占塘沽；在拒絕了清政府的和談請求后，聯軍水陸協同進攻大沽北岸炮臺，守軍不敵，炮臺旋即失守。見北岸炮臺失守，僧格林沁自知南岸炮臺也難保全，便按咸豐的旨意，盡撤南岸守軍，向天津退卻，恒福隨即在南岸炮臺掛起免戰白旗。
英法聯軍徹底占領大沽炮臺后，溯白河長驅直入。僧格林沁打算與敵人野戰決勝負，便盡撤天津守軍萬余人到通州，而聯軍則在無敵軍阻擊的情況下不費一槍一彈即占領天津。
天津的陷落極大的刺激了咸豐皇帝，他急派大學士桂良為欽差大臣，趕赴天津會同直隸總督恒福與聯軍議和。但英法方面提出的條件非常苛刻，“全盤接受1858年的《天津條約》”、“增加賠款”和“增開通商口岸”不說，還要求撤走通州守軍以便兩國公使各帶兵千人進京換約。于是，咸豐下旨拒絕了英法的要求，并于1860年9月詔諭軍機處和諸王大臣，要與英法決戰。
至此，在經過英法聯軍三次北犯之后，第二次鴉片戰爭進入了最高潮，聯軍進攻的矛頭已經不可避免的指向了清王朝的中心——北京。
