8月24日，英法聯軍佔領了天津城。9月7日，當談判破裂，聯軍決定進犯京師。到9月19日，英法聯軍對八里橋一帶地區開始全面的軍事偵察，考察了地形、氣候等因素，通過入華多年的傳教士爲輔助。英法聯軍通過偵察發現從北京到通州運河沿岸部署有大量的清軍，在運河上有一座17世紀石料單孔橋，即爲八里橋，距京師約8公里。
僧格林沁在通州一帶軍事部署，由他統率騎、步兵17000人，駐紮在張家灣至八里橋一線，扼守通州至京師廣渠門的大道。又命副都統伊勒東阿督帶蒙古馬隊4000人防守八里橋；另有1000名察哈爾蒙古馬隊由總管那馬善統帶，防守馬駒橋東南之採育，以防敵軍從馬頭西進，繞道進犯京師；直隸提督成保率綠營兵4000人防守通州。副都統勝保率京營5000人駐守齊化門以東至定福莊一帶，作爲聲援僧格林沁和護衛京師的後備部隊。僧格林沁統率清軍共計達30000人，其中擅長肉搏戰的蒙古馬隊共近10000人。1860年9月18日，英、法聯軍先頭部隊自天津北犯，是日中午，自河西逼近張家灣附近，並向張家灣的清軍駐地發起炮擊。僧格林沁所部守軍早已嚴陣以待，衝鋒號角響起，天上的三人看到騎兵向敵陣勇猛衝鋒。
英、法聯軍爲抵禦彪悍的蒙古馬隊，用數百支康格里夫火箭向蒙古騎兵齊射。悍不畏死的蒙古勇士，蒙古騎兵馬匹驚駭回奔，衝動後面的步隊，導致陣勢混亂，紛紛後退。在清軍失利的形勢下，僧格林沁立即率部退入了八里橋，以扼赴京道路。隨後，英法聯軍一舉佔領了張家灣和通州城。
1860年9月，清朝朝廷在《諭僧格林沁等應敵機宜》的“廷寄”中詢問：“僧格林沁自退扎八里橋之後，日來與該夷是否又經見仗？”在《著烏蘭都迅帶馬隊赴通》的“廷寄”中指令：“僧格林沁現扎八里橋，勝保現扎於家衛，防堵由通入京要隘，以截夷人前進……著烏蘭都迅即統帶所部馬隊官兵二千三百名，日夜趲行，前往通州以西八里橋地方，聽候僧格林沁等調撥，勿稍遲延。”
通州僧格林沁所部退守八里橋後，他和瑞麟一起商定，全軍分設南、東、西三路截擊英法聯軍。其中，將近1萬名滿、蒙馬隊軍部署在八里橋一帶防守。八里橋東距通州八里，西距京城三十里，是由通州入北京城的咽喉要地。清軍利用八里橋周圍的灌木叢林天然遮蔽，在這裏構築了土壘和戰壕，準備和敵軍在此決一死戰。9月21日凌晨4時，英法聯軍由騎兵在前開路向八里橋方向推進。
凌晨5點半，英法聯軍發出了出發信號。雅曼率領法軍兩個炮兵連和參謀部兵員，科利諾率領法軍一個炮兵連居中，成爲先頭部隊，英軍居後。英法聯軍各有4000餘人，共爲8000餘人，投入戰鬥的清軍共2.5萬至3萬人。蒙託邦聲稱是清軍首先發動了進攻，他們自衛還擊。清軍騎兵面對英法聯軍排炮毫不畏懼，一批接一批的衝擊。清軍發現英法聯軍中法軍和英軍之間的空隙，趁機衝擊進入，一度突破了英法聯軍的防線。
上午7點，英法聯軍分東、西、南三路對八里橋清軍陣地發起攻擊。東路爲雅曼指揮的法軍第1旅，西路爲格蘭特直接指揮的英軍。南路擔負着主攻八里橋的重任，是科林諾指揮的法軍第2旅。此次作戰以法軍爲主，由法國人孟託班擔任總指揮。
當法軍的第2旅的兩個前鋒連隊衝到橋邊時，守衛石橋的清軍士兵勇敢地衝出戰壕與法軍展開了血刃戰。
“弟兄們!殺洋鬼子!”一個士兵大吼，因爲這些黃毛鬼屠了他的村子。
戰鬥中勝保中彈受傷退下戰陣，想率軍退到定福莊。當戰鬥打響以後，僧格林沁才知曉，主攻八里橋的是南路敵軍，而不是西路敵軍。爲了彌補戰前的決策失誤，僧格林沁在勝保部與南路敵人戰鬥的同時，指揮馬隊穿插於敵人的南路與西路之間，企圖分割包圍敵人，隨後以步隊配合勝保部包圍南路敵人，殲滅敵人主力。由於勝保所部潰敗，僧格林沁的作戰意圖未能實現，遂與西路英軍展開英勇激戰，雙方傷亡慘重。
上午9時，英軍兵分兩路，一部分繼續與僧部對抗，一部分向於家圍進攻，企圖抄襲僧軍後路。僧格林沁分兵無術，面臨腹背受敵的險境，但他仍然“騎着馬站在前面，揮舞着黃旗表示挑戰。八里橋之戰，從早上7時打到12時，戰鬥十分激烈。
其中，蒙古騎兵在戰鬥中表現得異常勇敢，冒着敵人的密集炮火，多次衝向敵軍陣營進行英勇的戰鬥。
法國遠征軍中尉保羅·德拉格朗熱對清軍騎兵描述：“炮彈和子彈無法徹底消滅他們，騎兵們似乎是從灰燼中重生。他們如此頑強，以至於一時間會拼命地衝到距大炮只有30米遠的地方。我們大炮持續和反覆地排射，炮彈於他們的左右飛馳，他們終於在炮火中倒下了。”蒙託邦、科利諾、雅曼等部隊採用刺刀、炮火持續攻擊，布傑少校率領法軍第101旅奪取了清軍陣地中心村莊，雅曼率法軍佔領了八里橋。
英法聯軍開始採用大口徑火炮射擊拼死一戰保衛八里橋的埋伏清軍，最終佔領了八里橋，橋上的清軍屍橫遍野。蒙託邦回憶：“八里橋成了這一天最動人的一幕。早晨還鬥志昂揚的那些清軍騎兵，現在都已消失得無蹤影了。這座橋是一種古老文明造就的偉大古蹟。那些衣着華麗的騎兵，在橋道上揮動旗幟，毫無掩護地以一種對我們的大炮和火炮無能爲力的炮火，作出了反擊。”
據俄特使伊格估計，當時清軍投入約5至6萬人，其中3萬騎兵，損失1000人（清朝自己估計爲3000人）。法軍死亡3人，受傷17人，英軍死亡2人，受傷29人。1860年9月21日，英法聯軍自郭家墳向八里橋附近進攻。勝保、僧格林沁、瑞麟奉命迎擊，激戰半日後僧部潰退，勝保、瑞麟繼續督軍奮戰，激戰中勝保連中數彈而昏暈落馬。最終清軍戰敗，英法聯軍也遭受打擊。戰後勝保受咸豐美譽“忠勇性成，赤心報國”。