聂军败后，天津尚有宋庆、马玉昆、董福祥部与义和团坚持抵抗，联军久攻不下，便运来两门列低炮，用毒气攻城。
这炮以氯气为原料制成，含有剧毒，一旦射出，百码以内，闻者立死。
联军以此手段，先攻打老龙头火车站，在场武卫军与义和团不知底细，虽躲在楼屋之后，仍无一幸免，数百人马，全军遭噬。
同日，宋庆与马玉昆得到北京方面的消息，朝议夺裕禄之职，改调两广总督李鸿章为直隶总督。
李鸿章是著名的主和派，宋庆、马玉昆当即明白了太后的意思，便先率所部军马逃走，董福祥亦败出天津城。
这天正是光绪二十六年，庚子年六月十七日。沙俄国远东总督阿列克塞耶夫指挥一万余名联军，分兵两路进攻天津城。
两路兵马，一路为俄、德、法、意军五千余人，从东北角攻城，一路为日、英、美、奥军五千余人攻打南门。
宋庆、马玉昆虽然逃走，但尚有练军、水师及部分义和团共计一万余人留在城中，他们决心与天津城共存亡。
联军从城东、城南同时猛攻天津城，南门守军掘开附近河堤，放水淹敌，联军趟着泥水往城下前进，行动迟滞，天津守军枪弹齐发，打死联军无数。联军尽钻进泥水躲避，被守军枪炮轰击，大败而逃。
双方血战一整天，直到黑夜，联军收兵撤退，天津守军彻夜不眠，护卫城池。
三更时分，忽有一彪军来到南门城下，大叫：“开城门！自己人！”
守军望见果都是中国面孔，叫道：“是哪位将军麾下？”
“咱们都是聂军门的人！洋鬼子在后追赶，快开城门！”
几名守军对视一眼，点点头，便把城门打开，城下那彪军直奔进城去，发声喊，点起炸药，轰破城墙。
“不好！中了日本鬼子诡计！”
城上守军急令关门，已然迟了。
原来联军探知城门一侧墙体早已塌陷，不及修葺，是用麻袋装土塞住强撑的，便令一彪日本军借着容貌相像之便，伪装成中国士兵，运着炸药直到城下，赚开城门后，趁机炸破城墙。
城门城墙既破，各国联军趁机蜂拥而入，城内清军与义和团难敌枪炮，望风而靡。
南门虽破，东北门仍在顽抗。联军撤兵，再次施放毒气炮，次日下午，东北门也终于失守，天津陷落。
城破之后，联军登城，仍见许多清军，擎枪倚墙，怒目而视，似有攻击之状。联军丧胆，逼近细看，方知一众守军早已中毒气而亡。
这一场攻城之战，联军阵亡九百余人，清军与义和团死伤溃逃，难以数计。
东北门与南门失守后，城中千万百姓涌向北门与西门出城，怎奈人数太多，堵得水泄不通。
联军在城池最高处鼓楼架起大炮，对着百姓狂轰乱炸，尸体堆起一座一座几尺高的小山，枕藉填满整个天津城。
八国联军占领天津的过程中，付出巨大代价，此时可谓是兽性暴泄，在联军统领默许之下，开始了长达三天的烧杀淫掠。
他们端着步枪，无论妇孺老幼，在路上遇见中国人就杀，少妇娇女，尽被先奸后杀。尸体不仅遍布城中各处，更塞满城外海河，海河竟为之凝滞，难以流淌，就连河堤上的鲜血，都堆起一寸多深。
此外联军还对义和团展开血腥报复，凡是他们认为住过义和团的房屋、贴过义和团揭帖的房屋，一概放火焚烧，还把活人死尸都抛进烈火之中。
义和团首领张德成负伤，倪赞清与曹福田死保张德成杀出城外，林黑儿及红灯照众女子无力逃出，尽被联军奸杀，此时的天津内外，只有满地血与狼烟。
杀烧之外，联军还大肆劫掠，银行、铸钱厂、盐务署等机构的金银，被抢去无数，几千万两也不止。公家抢完抢私家，百姓民宅、商贩店铺更被洗劫一空。
更有甚者，有联军在郊外墓地的棺材里搜出银两，于是联军争相跑去郊野，刨坟挖墓，偌大天津郊野，竟至于无坟不破，无尸不戮！
三天的屠城之后，联军的暴行却才刚刚开始。他们利益掣肘，争论不休，经过一个星期，三次会议，才建立起名为都统衙门的殖民政府。
都统衙门成立后，先是派出巡捕，对天津百姓进行又一轮的屠杀，凡是红衣红带者，不论是不是义和团，一概就地枪决。河东有一家男女成婚，尽穿红装，被联军巡捕不由分说，用机枪全部扫死。
都统衙门又严禁百姓夜行，一旦发现，格杀勿论，更依仗枪口勒令百姓拆除城防、修筑水利，百姓葬身无数。天津土地也被各国联军瓜分，下一步，就是帝都北京了。