义和团运动发展到高潮时，浩大的声势和影响引起帝国主义的恐惧和仇恨，在清政府剿灭不利的情况下，西方列强决定组织联军，发动侵略中国的战争。
面对风起云涌的义和团运动，尤其是义和团提出“扶清灭洋”的口号、将矛头直接指向西方殖民者后，西方各国十分紧张，各国驻华公使纷纷行动起来，他们一面向清政府施加压力，要求清廷发布镇压义和团的谕旨，通过清政府的努力，镇压义和团运动，制止“拳匪之乱”；一面报告本国，要求派军舰到大沽口示威，派卫队到北京保护使馆，一定要迫使清政府屈服。德国公使在北京外交团的会议上甚至大叫“瓜分中国的时机已到”。1900年4月6日，美、英、法、德四国驻华公使奉本国政府密令，向清政府发出联合照会，限令清政府在两个月内将义和团镇压下去，否则将直接出兵“代为剿平”，同时派军舰前往大沽口，施以军事压力。5月28日，义和团焚毁丰台火车站的消息和京津铁路路轨被拆除的传言，使公使们感到形势严重恶化，各国驻华公使议定以保护使馆为名，调兵进入北京。29日，驶抵大沽口外的各国舰队先后接到要求进京的电报，迅速派出了海军陆战队，由海河乘船到达天津。
5月31日，英、美、法、俄、日、意等国水兵336人强行进入北京使馆区。6月2日，德、奥水兵80人也援例进京保护使馆。6月4日，义和团为了阻止洋兵进京，拆除了部分京津铁路路轨，烧了黄村车站，割了京津电报线。各国公使害怕被困，接连开会研究对策，一致决定向北京增兵。
6月10日，俄、英、美、日、德、法、意、奥八国拼凑两千余人，在英国海军中将西摩尔和美国上校麦克卡拉率领下，共二千三百人，不顾清政府的反对，从天津分批乘火车向北京进犯。同日，此时已入京津的团民数十万人以及清军董福祥部，奋起抗击八国联军的进犯，其他义和团众获悉洋兵赴京的消息，事先拆毁铁路、割断电线，并同清军一起袭击、拦截联军。6月14日，八国联军的第一列火车从廊坊车站开出，第二列火车尚在加水，义和团三百多人就把联军包围在车站一带，对其发起进攻，杀伤敌人多人。18日，义和团在董福祥甘军的配合下，再度向据守廊坊车站的联军发动进攻，歼敌五十余名。19日，义和团又沿铁路紧追联军至杨村，歼敌四十余名。在义和团的层层阻击下，联军只好被迫向天津撤退。途中，联军又遭到义和团的伏击，团民多是青少年，他们手持大刀、长矛、木棍，迎着联军的机枪和大炮，一批又一批地发起冲锋，其勇敢的精神令敌人震惊。后来董福祥部清军也加入战斗。在廊坊、落垡、杨村，义和团沉重打击了联军的进犯。西摩尔联军无法前进，只得狼狈逃回天津，沿路又连续遭到阻击，直到26日才在沙俄援军的救助下逃回天津租界。义和团和清军在十多天里打死侵略军六十二人，打伤二百二十八人，粉碎了西方军队不可战胜的神话，事后西摩尔也不无余悸地说：“义和团所用设为西式枪炮，则所率联军，必全军覆灭。”
与此同时，八国联军集结在大沽口外的舰艇已达三十余艘，他们开始向大沽口发起进犯。6月16日下午8时，俄军中尉巴赫麦吉耶夫向大沽炮台守将罗荣光发出最后通牒，限令30小时内交出炮台，遭到拒绝。联军遂于17日炮轰并占领了炮台。罗荣光指挥守军奋起还击，激战六个小时，打死打伤侵略军一百多人，击伤敌舰多艘，终因弹药告匮，又无援兵，大沽炮台失守。侵略军纷纷从大沽登陆，天津失去了屏障。
老龙头火车站（天津东站）是大沽通向津、京的交通枢纽，又是租界与外界联系的要地，有一千七百余名俄军驻守在这里。6月17日，盘踞站内的俄军四百余人四处挑衅，俄国海军中将基利杰勃兰特指挥各国军舰公然向大沽口炮台发动进攻，经过激战，联军占领了大沽炮台以及塘沽、北塘、新河一带，屠杀了许多当地居民，由此联军进入天津的通道被打开了。18日，又有两千余名俄军在车站附近的娘娘庙，用大炮轰击义和团。义和团首侵略者三十多名，打伤七十余名。7月初，张德成设下埋伏，诱敌深入，与敌军激战五个多小时，歼灭偷袭的侵略军大部，又机智地驱赶几十头牛，大摆“火牛阵”，以数十头牛为前驱，将地雷踏毁，大队义和团随即冲入租界，杀伤了一些敌人，焚毁了三井、萨宝洋行，但义和团遭到敌军猛烈阻击，被迫撤出。
值得一提的是，清直隶提督聂士成受命率部与义和团共同保卫天津，并攻打住满了各国新开来军人的租界，在天津进行了十分艰苦的保卫战斗，聂部英勇御敌，伤亡惨重，义和团团众的英勇反抗精神也给中国民众甚至是国外人士留下深刻印象。一个俄国记者领曹福田率领数千名团民与清军合力向俄军发起反击，就势包围车站。双方激战十多个小时，俄军尸横遍野，死伤五百多人。
紫竹林租界是各国领事馆和洋行的所在地，是帝国主义在天津的大本营。大沽失陷时，帝国主义不断增兵紫竹林。6月，侵略军已增至两万人。6月15日以后，义和团不断与驻扎在租界中的联军发生冲突。张德成率领的“天下第一团”五千多人，从独流赶到天津参加战斗。6月20日，义和团在浮桥两端截击侵略军，打死记叙了他目睹的夜战场面：“第一次齐射之后，我们都听到了刺耳的号叫声，只见红灯掉落了，溃散了，熄灭了。但是团民们仍然挥舞大刀长矛，高喊‘义和拳！红灯照！’向车站前进。”清军和义和团给了八国联军以重大杀伤，自己也付出了惨重的牺牲。7月9日，一队日本骑兵从城南十五里的纪家庄，沿卫津河进攻八里台；另一支联军从紫竹林租界出发，向八里台猛攻。聂士成在腹背受敌的情况下，指挥部队奋勇杀敌。他身中七弹，仍然坚持战斗，“腹裂肠出”，最后以身殉职，聂士成的武卫前军随之溃散。义和团众也在裕禄、宋庆、马玉昆的率领下退回杨村，以运河东岸的杨村、汉口和黄花甸为重要之区，派兵扼守，又以河西务、落垡两处为赴京必经之地，建议清廷速派军扼扎。
在天津保卫战的同时，北京义和团和清军正在攻击使馆区和西什库教堂。帝国主义侵略者以东交民巷和东长安街一带为“占领区”，使馆内侵略军寻衅杀害中国军民数百人。6月20日，义和团和清军五六千人围攻使馆，迫使侵略者不得不于23日从比、荷、奥、意使馆撤出。从6月20日到8月14日，义和团和清军围攻东交民巷使馆的五十六天里，打死侵略者约一百余人。
6月15日，义和团开始围攻西什库教堂。西什库教堂是直隶北部的天主教总堂，是北京最大的天主堂，也是全国最大的天主堂之一。从6月15日到8月16日，义和团和清军围攻西什库教堂62天。由于赶来“帮打”的清军虎神营采取空炮佯攻的姿态，义和团蒙受惨重损失，义和团随即改变战术，用挖地道爆破的办法，炸得敌人胆战心惊。围攻期间，毙伤侵略军23人，但始终未能将教堂攻下。
中国军民奋起抗争的同时，清政府却展开了妥协求和的卖国活动。清廷的这一软弱之举大大助长了帝国主义的侵略气焰，他们为了消灭义和团，并迫使清政府彻底屈服，决定继续派兵进京；8月4日，八国联军两万余人，由天津分两路沿运河向北京进犯。8月5日，联军进抵北仓，义和团协同清军奋力阻截，几次打退敌人的进攻，歼敌数百名，但随着联军增援的不断到来，马玉昆率军先逃，北仓失守。6日，联军进攻杨村，宋庆、马玉昆北逃通州，裕禄兵败自杀。此时的清政府和慈禧太后无心恋战，开始积极向八国求和，于8月7日正式任命李鸿章为议和全权代表，专门负责议和事项。在此基础上，慈禧太后禁止小南郊义和团继续进城，并把京城内外一部分义和团调往前线，在同八国联军抗衡过程中削弱了义和团的力量，加速了中国民众抗击列强侵略斗争的失败。8月9日，李秉衡率军于杨村迎击敌人，一战即溃，李秉衡败走张家湾，愤而自尽。13日，联军占领通州，直逼北京城下。俄军进攻东便门，日军攻打朝阳门、东直门，遇到义和团和甘军的顽强抵抗。英、法、美军进攻广渠门，武卫军和八旗兵溃逃，侵略军相继入城，北京于14日陷落。15日晨，联军进攻皇城东华门。慈僖太后慌忙换上农妇的衣裳，带着光绪皇帝和亲信臣僚出德胜门仓皇西逃，经过山西太原逃往西安。8月14日，北京被八国联军攻陷，慈禧太后带着光绪皇帝仓皇西逃。在逃亡途中，清廷对清军下达了“从严剿办”义和团的命令。此后，义和团运动在八国联军和清军的联合绞杀下彻底失败了。
八国联军入侵中国，对中国人民犯下了不可饶恕的罪行，这群暴徒所到之处，烧杀淫掠，无恶不作，对中国人民进行了最疯狂的大屠杀和最野蛮的大洗劫。原有五万多居民的塘沽被沙俄军队夷为平地，已无华人足迹。有万户人家的北塘居民，大半为俄军杀死或杀伤。在北京，侵略军将成群的中国人，逼到死胡同里，架起机枪连续扫射十几分钟，“直至不留一人为止”，北京城内血流成渠，侵略者不断抓来—批批百姓，逼迫他们掩埋尸体，之后，又将他们“尽行击毙，亦埋坑中”。7月14日天津陷落时，北门内外一带人民被侵略者杀死的甚多，城内被惨杀者处处皆是，“大街小巷逃难者，叫爹喊娘，呼兄唤弟，失儿丢女，其惨实难言状”。日本侵略军把炮架在北门城楼上，对准城内居民稠密地区轰击，死者无数。从城内鼓楼到北门外水阁长达几里的街上，到处都是英勇斗争的义和团战士和无辜百姓的尸体。沙俄侵略者仅在北塘一地就屠杀数以万计的人民，鲜血染红了卫津河（运河）。京津一带人民陷入血腥恐怖之中，就连帝国主义分子赫德也不得不承认，在侵略军的“占领区里，已成人间地狱”。
此外，侵略者所到之处，士兵每日携带枪械串行街巷，向各家勒索抢劫，稍不如意，即开枪射击。俄法两国军队抢去造币厂好几吨银子。“俄人所踞之地，被害特甚，抢掠焚杀，继以奸淫，居民逃避。”侵略军攻陷北京后，明令士兵公开抢劫三天。事实上直至撤出北京，西方列强的抢劫从未停止过，就连外国使馆人员和传教士也都参加了抢劫。法国主教抢去的珍宝财物约值百万两之多。皇宫、颐和园、户部等处的金银珠宝、稀世文物，包括《永乐大典》等珍贵图书四万多册，均被抢去。还有不法教士、教民倘与谁家稍有嫌隙，即以控捕“团匪”为名，勾结侵略军大肆讹诈抢劫。英、美、日本军队侵入北京和德俄法等国军队一样，“亦接家按掠，俱皆囊满箱盈”，到无可搜刮时“却欲钓名沾誉”，装出保护的姿态。沙俄除参加八国联军外，还派遣大量军队侵占中国东北，在东北制造了“海兰泡惨案”并且血洗了江东六十四屯。海兰泡原名孟家村，位于精奇里江与黑龙江的交汇处，和黑河镇隔江相望，1858年该地被沙俄占领。到1900年，海兰泡发展成有3.8万人口的城市，但其中五分之三仍是中国人，他们世世代代和平地居住在这里，从事经商和土木建筑业。7月15日，沙俄侵略军包围了该城，当晚便手持利器，闯进一户户中国居民家中，抢劫财物、殴打和杀害平民。以后的几天里，沙俄军队将数千中国人集中起来，强行驱赶到黑龙江边，然后驱动狂奔的战马，高举军刀和长斧，在手无寸铁的人群中东砍西劈，一时间悲声大作，断尸粉碎骨满目横陈，许多人被赶入二百多米宽咆哮奔腾的江水之中溺死，或被沙俄兵射杀。经过四天的大屠杀，六千多中国同胞饮恨身亡。江东六十四屯位于黑龙江左岸，历史上曾有六十四名中国百姓屯集于此生活，因此得名，1900年这里住有两个多户中国居民，共一万多人。沙俄军队于1900年7月侵略我黑龙江左岸的江东六十四屯，把二十八个屯的中国居民聚在一个大房子里，放火活活烧死，然后又强迫其余居民投江，在此后短短几天时间里，焚烧溺死者就高达七千多人。侵略者在江东六十四屯抢掠烧杀，并不许这些幸存的中国居民返回居住，否则格杀勿论。同时以护路为名于10月先后攻占瑷珲、哈尔滨、长春、营口、牛庄、奉天等地，妄图实现其“黄俄罗斯”的迷梦。沙俄军队在海兰泡和江东六十四屯用各种残酷手段杀害中国各族同胞三四万人。八国联军的残酷暴行罄竹难书。
