10月中旬，法国特使葛罗抵达香港。英法特使及双方海军司令等经多次协商，确定英法组成联军，采取一致行动，首先攻占广州，尔后北上白河。10月底，美国新任驻华公使列卫廉到达香港，与英法公使会晤。11月初，沙俄公使普提雅廷也由天津窜到香港，正式加入了以英国为首的侵华集团，为英法武装侵略中国出谋划策。
12月上旬，英法侵略者拼凑了一支由五千六百余人组成的侵华联军（其中法军一千人），集结于香港、澳门地区，加紧进行战争准备。
二、英法联军陷广州
在清廷“息兵为要”的方针指导下，叶名琛不仅不加强广州的防务，反而大肆裁撤团练兵勇。广州人民烧毁十三洋行商馆之后，叶名琛竟下令把所有团练乡勇赶出省城，原陆续聚集于广州周围的三万余兵勇，凡非坚守要隘者，全部被裁，陆路壮勇原约一万余人，被裁撤十分之八，所存者不及二千人。广东内河水师战船大部损失，非但不予添造，反而大加裁撤。虎门要塞被英军破坏的几座炮台，既不修整，也不重调水师驻守。直至获悉英国，远征军开抵香港时，他才仓卒抽调部分兵力在珠江水路要隘布防，并派八旗兵防守广州城及城北炮台。
1857年12月12日，英，法公使分别向叶名琛发出最后通牒，要求入城、修约和赔款，并限十日内答复。对于英法等国相互勾结以及迫在眉睫的战争形势，叶名琛仍然茫无所知。他认为英国孤立，为法、美所不齿，并轻信谣传，说什么英国女王已命令其在华官员力求与中国“好释嫌疑，以图永久相安，毋得任仗威力，恃强行事。……断不准妄动干戈”，认定英国不会再行开战。尽管英法公使已发出最后通牒，叶名琛依然不做任何战守准备。
在英、法公使发出最后通牒的同时，英法联军舰队便从香港出发，进犯虎门。因未遭广东水师的任何拦阻，故得以迅速突入珠江内河，兵临广州城下。12月15日，数十艘敌舰集结于珠江主航道上，集中舰炮火力轰击与广州城隔江相望的河南地方。接着，敌海军陆战队登陆，顺利地占领了该地，为攻打广州城夺得了立足点。
20日，联军舰队进泊广州五仙门外的珠江水面。额尔金和葛罗分乘炮艇从香港赶到；次日，他们与两国海军司令在法舰上召开作战会议，决定于24日正午再次照会叶名琛等，限其在四十八小时内交出广州城，并将军队全部撤到城外三十华里的地方，否则武力攻取。
与此同时，英法侵略者完成了攻击广州的作战计划。计划规定：
1．27日至28日夜间，联军工兵连和爆破连登陆并占领二沙尾岛靠航道的登陆点。
2.28日拂晓开始，联军舰队的一百二十门大口径炮同时向城墙开火，在西南角、东南角和正南三处打开缺口，并以持续而缓慢的射击压制守城清军。
3.28日晨，海军陆战队登陆，分三路进攻广州城。中路由斯特罗本泽少将指挥英军和一部分法国水兵，主攻东固炮台，占领后派出云梯队乘夜抵近城墙，架设云梯；左路由里戈？德热努依里海军少将指挥法军，阻击从东门和郊区增援的清军；右路由西马糜各厘海军上将指挥英国水兵，阻击从城北各炮台支援的清军。
4．29日晨，全部大炮集中轰击城墙，摧毁城上的工事，尔后攻城。
在英法联军临城下的威胁面前，叶名琛对战守问题仍漠然置之。26日，其部属纷纷建议添调兵勇，加强广州防务，他却以敌军不过是恐吓迈和为由，拒不采纳。番禺县令李星衢、南海县令华廷杰请求招募两县乡勇数千人，防备突然事变，叶竟说什么“谁添兵，谁给饷”。广州绅民有的自告奋勇，愿意自备粮饷军械，守城杀敌，叶名琛一概不准。27日晚，联军工兵连、爆破连占领二沙尾，攻城迹象已十分明显。就在这时，叶名琛却要全城文武官员到督署为他祝寿。他迷信扶乩，宣称乩语告知，十五日（12月30日）后便可无事。
12月28日晨6时起，三十二艘联军舰艇（英二十五艘，法七艘）的一百余门大口径火炮同时炮击广州城。叶名琛逃至内城粤华书院。清军乱成一团。广州城内大火熊熊，督署也成为一片废址。
炮击开始后不久，英法联军约四千人，分别从二沙尾以及猎德炮台与东固炮台之间登陆。中路约二千人进攻东固炮台。驻防广州东门外的清军千总邓安邦率东莞刃一千人奋勇抵御。他们士气高昂，分散隐蔽于竹林和灌木丛中或坟墓后面，以各种火器打击敌人。防守东固炮台（有炮三十一门）的约七十名清军，在东莞勇的配合下，也发炮轰击登陆的联军。邓安邦统一指挥东莞勇与炮台守兵，同超过自己一倍的敌军鏖战大半日，最后在弹药耗尽和得不到外援的情况下，才被迫于日暮时放弃东固炮台。当晚，联军以舰炮及东固炮台的大炮继续轰击广州城。
29日晨6时，占领城东一带的联军在炮火掩护下，向城东北运动。防守城北五座炮台的总指挥、乍浦副都统来存率旗兵一部，坚守四方炮台。联军“冒死扑台，为长蛇阵直进，将近二千人”。守台兵居高临下，发炮抵御，毙伤不少敌军。联军进攻炮台受挫，便转而攻城。斯特罗本泽指挥中路英军第59团，成散兵队形攻击小北门，西马糜各厘指挥右路英军水兵攻击大北门，里戈？德热努依里指挥左路法军攻击东门。广州守军依托城上工事阻击敌人。不久，联军中路主力攻入小北门。守城清军纷纷溃散，致使敌军迅速占领了观音山，控制了城内的制高点。接着，联军右路和左路部队相继攻占了大北门和东门。城墙上的清军退入城内，与敌展开巷战。下午2时以后，全城战斗停息。30日，广东巡抚柏贵和广州将军穆克德讷在广州西北城墙上竖白旗投降，在侵略军的威逼下，强令撤出城内兵勇。
1858年1月5日，叶名琛为联军所俘，被押往印度加尔各答，次年在囚禁中毙命。这是他坚决执行清廷“息兵为要”方针的可耻下场。联军占领广州后，组成以巴夏礼为首的“联军委员会”，投降卖国的柏贵等在侵略者的监督下继续“任职”，为敌效劳。这是中国近代史上由外国侵略者用大炮制造的第一个地方傀儡政权。
三、广东军民继续打击故人
在英法联军的蹂躏下，广州遭到了空前的浩劫。侵略军烧杀掳掠等暴行，激起了广东军民的英勇反抗。具有抵抗外来侵略传统的三元里一带群众，重建和扩大了原来的社学组织，募勇团练，并联络南海，番禺两县人民，在佛山镇成立团练总局，集义勇数万，坚壁清野，与侵略军展开针锋相对的斗争。东莞、花县、顺德等县人民，也纷纷组织团练武装打击侵略者。广州城外军民实行秘密分散的游击战，每于夜间以壮勇数百人，分路潜至城下，鸣锣呐喊，向城内施放火箭，惊扰和打击敌人。城内市民则经常三五成群地埋伏在侵略者出入之处，出其不意地袭杀敌人，1858年2月18日，佛山团练武装数万人，决定反攻广州，被柏贵破坏。但爱国军民的反抗怒火是扑不灭的，伏击和袭扰敌军的行动接连不断。6月3日，侵略军千余人分两路进攻广州城外的团勇：一路进攻驻榕树头的东莞勇；一路进攻驻三宝墟的新安勇。东莞勇在邓安邦率领下奋力迎战，毙敌军官一人，迫使敌军逃窜。新安勇与敌军激战数小时，毙伤敌军百余人。随后，东莞军民向侵略者发出挑战书：“我东莞勇，现驻榕树头，尔外人敢到此与我打仗，定杀尔片甲不回。”6月6日，巴夏礼亲率英军千余前往，结果遭到伏击，死伤甚众，巴夏礼也几乎被俘。侵略军胆战心惊，龟缩城内，不敢轻易再出。佛山团练总局还发动香港大罢工，号召在香港、麦高（澳门）等处为外国人教书、办理文案以及雇工杂役人员，概行辞职回家，使洋人各项经济活动陷于停顿。香港同胞还以极其秘密巧妙的方法劫杀英人，使其不得安宁。
英法联军第一次北犯（1868年4月~6月）
一、联军策划北犯，清廷置若罔闻
英法联军占领广州后，额尔金、葛罗等又在香港密谋策划，确定联军舰队先开往上海，威逼清廷签订新约，若不能达到目的，便北犯白河口，对清廷直接施加压力。美、俄公使完全赞同英、法的图谋。
1858年2月，英、法、美、俄公使分别照会清政府，要求于3月底以前派全权代表到上海举行谈判，否则，即向白河口进发。3月底，侵略者的要求遭到了拒绝，四国公使便决计率领由香港集中到上海的英舰十余艘、法舰六艘、美舰三艘、俄舰一艘，分批北上。
对于侵略者贪得无厌的野心，清廷缺乏清醒的估计。广州沦陷后，仍认为英法只是借端要挟，不会继续入侵，因而命令柏贵“以情理开导”，劝说侵略者退出广州，然后“相机筹办”。同时，任命刑部右侍部黄宗汉为钦差大臣和两广总督，由京赴粤，与英法侵略者进行谈判。另一方面，咸丰帝接受某些人的建议，要柏贵等借助广东绅民之力，利用各地团练乡勇将联军逐出省城和内河，“使知众怒难犯，……不致诛求无厌”。不久，咸丰帝接到两江总督何桂清关于英、法、美、俄四公使欲赴天津的奏报。但他仍然置若罔闻，不立即采取对策，直至3月21日，才谕令直隶总督谭廷襄等“于海口各要隘，不动声色，严密防范”，以防意外。
二、联军进逼大沽，清军仓卒布防
1858年4月20日，英、法、美、俄四国公使在白河口外会齐，24日即分别照会清政府，要求派全权大臣在北京或天津举行谈判。英、法公使竟限令六日内答复其要求，否则即采取军事行动。美、俄公使则打出“调停”的旗号，劝告清廷尽快会谈。与此同时，联军舰队陆续驶抵大沽口，随即进行了进攻大沽炮台的各种准备。他们派出侦察船，探测水深，侦察海口的地形和炮台设施等；派遣侦察人员化装登岸，侦探清军部署；派舰艇抢劫民船商船，掠夺财物粮食，在水边立标打靶，进行临战训练，并对清军巡洋哨船鸣枪挑衅等等。
大沽口是天津的门户，近口三十余里有拦江沙一道，称为“口外之险”，大船不便航行，海口南北两岸建有炮台四座（北岸一座，南岸三座），仅有守兵七百人。海口距大沽村五六里，距天津一百八九十里，中间有新城、葛沽，为商船进口后停泊之处。谭廷襄认为，敌军“长于水，而不长于陆，狡猾性成，未必肯舍长就短”，因而提出了“设防仍以水路为主，兼备炮台后陆路”的方钟，4月19日，谭廷襄与直隶提督张殿元，布政使线炘和等率兵约八千人，并携带神机营大炮，仓促前往大沽口设防。其部署是：谭廷襄率督标各营驻防海神庙（大沽东、西二村之间），张殿元率提标兵一部防守北岸炮台，天津镇总兵达年率镇标及提标大沽协兵防守南岸各炮台，钱炘和总办粮台，清河道崇厚总理营务处。层募海船、盐船四十余只，于海神庙前搭浮桥一座，便于两岸联络，协同作战。此外，清廷还调派刑部左侍郎国瑞、护军统领珠勒亨、副都统富勒敦泰等率京营马步各队及火器营、健锐营兵二千余人，携炮三十门（内有万斤大炮数门），赶赴海口，统归谭廷襄节制。潭便令国瑞率马队五百人驻新城以东离海口十五里处，令珠勒亨率马步兵千余人，富勒敦泰率器营五百人守海口北岸及新河，均作为南北两岸炮台的后路接应。
三、联军大沽登陆，清军抗战失利
英、法、美、俄公使照会清廷后，咸丰帝令谭廷襄与其谈判，要求英、法、美公使返回广东，听候黄宗汉办理，俄使则仍到黑龙江等处会办。他把希望寄托在打出“中立”旗号的美、俄公使的“调处”上，企图以美、俄牵制英、法。经过多次交涉，清廷的希望完全落空，侵略者决心使用武力迫使清廷屈服。
截至5月19日止，陆续驶抵大沽口外的英、法、美等国舰船共约三十艘。当日傍晚，联军“斯莱尼”号、“复仇者”号等十六艘舰艇和二十佘只舢板，载海军陆战队约二千人，驶入拦江沙内，待命行动。美舰和俄舰各一艘相继跟进，为英法联军壮胆助威。
5月20日上午8时，额尔金和葛罗发出最后通牒，要求让四国公使前往天津，并限令清军在两小时内交出大沽炮台，否则武力占领。在此以前，联军拟定了如下攻击计划：首先以六艘炮艇分成二队，同时发炮攻击南北两岸炮台；然后，两支登陆部队分别向南北两岸发起攻击。第一支由四百五十七人（英军二百八十九、军一百六十八）组成，攻取北岸炮台：第二支由七百二十一人（英军三百七十一、法军三百五十）组成，攻打南岸炮台。