8月13日，八国联军进抵北京城外，北京城内一片混乱。义和团和部分甘军猛攻东交民巷公使馆，企图拿获各国公使作人质，胁迫各国退兵。各国公使知救兵将至，拼死抵抗。慈禧太后企图利用停火协议保住北京的打算已经落空，准备逃离出京。王公大臣、文武官员、甚至各部院当差人员更是惊慌失措，争相携带家眷财物出京外逃。清政府统治机构完全瘫痪，整个北京混乱不堪。但载漪的神机营和虎神营、董福祥的甘军、荣禄的武卫军以及其他残兵，共4万多人，仍分头防御，坚持守卫京城。
八国联军抵达北京城外的当天，即8月13日，议定15日总攻北京。然而，俄军于当日深夜即首先向北京东便门发起进攻。防守东便门的甘军和义和团顽强抵抗，给俄军以很大杀伤。战至14g，凌晨2点，守军抵敌不住，东便门陷落。紧接着，俄军猛攻建国门，甘军隐蔽在城墙上向敌人猛烈射击，俄军死伤甚多。从午夜2点激战到天明10点，俄军伤亡惨重，却未前进一步。俄军统帅华西里耶夫斯基亲自上阵，督军猛攻，甘军火力猛烈，一枪击中华西里耶夫斯基右胸，将其射成重伤。直至下午2时，俄军在付出重大伤亡后，才攻人建国门内，但仍不断遭到甘军的冷枪射击。
当13日俄军首先进攻后，各国联军也拔队攻城。日军进攻朝阳门和东直门，并动用18门野炮和36门山炮猛烈轰击，甘军顽强阻击，死拼不退。日军组织敢死队，反复冲锋，多次逼近城墙，均被甘军击退。双方战至次日黄昏，甘军无法再战，被迫撤出，日军占领朝阳门。与此同时，英军进攻广渠门，守卫此地的武卫军和八旗军一轰而散，英军兵不血刃，首先攻人京城，并于14日下午挺进到东交民巷，解救了正受围困的各国公使。随后，法、美等国军队也相继攻人城内。甘军、部分清军及义和团和八国联军展开巷战。
8月15日凌晨，慈禧得知八国联军已攻人内城，惊恐万状，急忙携光绪、傅伤等人，在载沣、刚毅和近千名兵勇的护送下，出西直门逃离北京，先到太原，后转至西安。就在慈禧出逃的当天，京城内义和团及清军仍与敌人进行着激烈巷战，拼死守卫皇宫。
8月15日夜，清军的抵抗基本结束，八国联军全面占领北京。
八国联军攻陷北京后，实行野蛮的屠城。联军日夜包围义和团各坛口，遇团民即杀。仅庄王府一处，就屠杀1700多义和团民。法国士兵曾将一群平民逼进一条死胡同，开枪扫射达15分钟之久，直至一人不剩。联军士兵肆意闯入民宅，乱砍乱杀，蹂躏妇女，乃至京城百家之中“所全不过十室”。许多妇女受辱后含恨自尽，自尽的女尸无人解下，“经时即久，项断身落，而头尚悬其上”。原在北京的传教士，这时穿上军装，为联军指点道路，搜索昔日袒护义和团的官家民户，以便联军剿杀。经过联军报复性屠杀，北京“成了真正的坟场”，很多地方尸骨堆集如山，无数家庭“虚无一人，而遗尸未散，蛆出户外。八国联军恨义和团入骨，北京城中凡曾设坛之处，无论府邸、寺庙、民宅，一概举火焚之。经过联军大肆纵火，北京的官邸、府院、寺庙、民宅、城垣、宫苑，都遭到大规模焚烧和破坏，有些甚而瓦砾无存。翰林院被火焚毁，清廷许多部门档案文稿被集中在长安门内付之一炬，黑烟纸灰蔽空迷目，多册《永乐大典》及许多珍贵图书皆被烈火吞没。从地安门以西至西安门以北，“其房屋焚毁无数”，地安门以东到东安门以北，房屋仅存十之二三；前门至东四牌楼以南，更是破壁残垣，满目荒凉。昔日饰满金漆房舍的北京城失去了“数百年来巍奂之美观”，到处“是一片罗列着萧条残物的荒野”。
八国联军侵入北京后，“曾特许军人公开抢劫三日”。于是，侵略者无物不抢，无物不夺。从金银器皿到珠宝古玩，无不成为他们劫掠的对象。在联军的无情劫掠下，宫中财物损失过半，贵重之物无一遗存。三海（北海、中海、南海）、颐和园均遭浩劫，财产损失难以估计。京城内神坛、寺庙、官署及王公府第亦不能幸免。日军仅从户部就劫走白银290多万两，法军从礼王府抢走白银200多万两，北京天文台10件古代天文仪器被德、法两国瓜分。据不完全统计，官府各库银款损失约计6000万两左右。联军士兵还以搜查义和团为名，携带洋枪，三五成群地闯人民宅，挨家挨户进行搜刮和抢劫。各国外交官、传教士及侨民也趁火打劫，大肆剽掠。
经过如此浩劫，中国“自元明以来之积蓄，上自典章文物，下至国宝奇珍，扫地遂尽”，所失“数万万不止”。
八国联军除了烧杀抢掠之外，还纷纷划定区域，实行分区占领。北京外城被德、美、英三国占据，内城则由日、德、俄、美、英、法、意等国瓜分。“各国所管之界，均用各国旗帜以分别。”随后，八国联军成立“北京管理委员会”，对北京实行军事殖民统治。
自立军起义
义和团运动兴起后，慈禧太后专权，排斥光绪，拟借义和团报复勒逼自己归政光绪之各国列强。以唐才常为首的国内部分保皇党人认为勤王时机已到，加紧组