英法联合舰队，顿为炮火裹挟，炮战至下午四时，“鸬鹚”号炮舰先行搁浅，“查隼”号、“庇护”号炮艇随后沉没，旗舰“鸻鸟”号连中三炮，舰长拉桑当场死亡，舰队司令贺布身负重伤，其余炮舰亦皆损伤。贺布不敢再战，饬令余舰悬挂白旗，退出战场。

直隶提督史荣椿、大沽协副将龙汝元急欲追而逐之。

僧格林沁道：该夷仅伤皮毛，定要复来。吾水师孱弱，切勿妄动！先恣该夷之娇气，而蓄我之恨怒。水战之后，该夷或要登陆，火器营、骑队速作准备！该夷上岸，不可轻击，等至阵前壕沟攀缘，火器先发，骑队迂回，大张挞伐！吾等上申国威，下抒民望；此战万不容失！

舰队败退，英法美公使皆慌，联合舰队司令贺布道：倘若就此而退，即成十余年来，从未有之耻辱！吾兵三千，主力未损。吾令：避开大沽水路，切萨皮克”号护卫舰、“杜沙伊拉”号巡航舰等，即刻游弋大沽口南岸海域，舰炮齐击，掩护陆军登陆杀敌。

下午五时，舰炮轰毕，英军勒蒙上校率陆军千人，分乘20余帆船、舢板，自大沽口南岸，强行登陆，道路泥泞，全然不顾，直逼大沽口南炮台。

眼见夷兵逼近射程，史荣椿一声令下，抬枪、鸟枪连环轰击。英法联军不备，纷纷倒地。勒蒙上校急令避匿芦苇丛里，伏地还击。

时已渐黑，僧格林沁督率骑队赶至，即以火弹筒御之，每火光一亮，瞥见夷人，即排施枪炮。

蒙古骑队急欲迂回，僧格林沁不许，道：该夷枪利炮坚，吾鸟、抬、不及其一，遑论箭矢刀矛，冒然而上，徒增伤亡；荫蔽毙敌，待夷力疲，围而逐之。

两军战至凌晨，僧格林沁饬令全军出击，英法联军不敌，仓皇而退。此战，击沉英舰4艘，重创6艘，毙伤英法联军四百余名。清军直隶提督史荣椿、大沽协副将龙汝元以下38人阵亡。

僧格林沁偕恒福奏曰：该夷此次之败，率因骄傲欺敌。其意以为炮台营垒，唾手可得，水战失利，继之步卒。是该夷不信中国敢于一战。然夷人炮火，确亦坚厉；奴才叩请吾皇速派重臣至津，将天津各约，钤印置换，以绝后患。

咸丰帝谕令直隶总督恒福、直隶布政使文煜相机办理。又谕：石逆达开，兵逾十万，肆虐湘南；官文、胡林翼、曾国藩务必分兵援湘；曾国藩援湘以外，亦需力攻景德、建德，以分贼势。江南大营，饷裕兵众，和春别图他援；勿得轻听将士之言，稍分畛域；速遵前旨，迅拨江北精兵，前往天长，会同胜保，彻堵贼逆北进之路。

恒福接旨，与美国公使华若翰相商良久，于北塘钤印换约。

大沽口败报至英，英国泰晤士报报道曰：这是一次可怕的惨败，中国人打得漂亮，我们的确被打败了。

英国首相震怒，即召内阁大臣，议会八日，决议增兵中国，攻占北京，以作报复。会后，英国首相即命邮政大臣、前驻清国公使额尔金速作战备；法兰西亦随英格兰之步履，相机而动。