联军则于6月21日（一说18日）由俄国军官斯泰赛率领两千八百余人，从大沽乘火车增援天津。这股侵略军行至军粮城车站时，因铁路被毁，改为步行，后在老龙头车站附近遭到义和团曹福田部及部分清军的猛烈阻击，死伤五百余人，第二天才进入车站。6月23日，又开来一部分联军，在租界内联军的接应下，进入租界。至26日，连同从西沽武库撤回的西摩尔军，租界内的联军已增至七千余人。
联军的兵力虽然增加了，但处于义和团和清军的包围之中，缺少食物，房屋毁坏，医院中的伤病员拥挤不堪，处境仍然十分困难。联军各军司令官认为，在这种情况下，“万不能向北京进发，只得暂在天津，以图自保。若再不能自保，不如退守大沽”。于是决定采取固守措施，由各军分区防守。
紫竹林租界位于天津城东南，东临白河，北面隔河紧靠老龙头火车站。6月23日，联军务司令官会议决定：俄军防守老龙头火车站至租界东面的武备学堂一线，法军防守租界西北部，美军防守租界西南部，日、英、德、意、奥各军分守自租界西南端沿墙子河至梁园门一带。除加强租界区防守外，还分兵控制天津至大沽问的交通线。
6月22日至29日，围攻租界的清军约有一万六千人，义和团三万余人。但是，由于清军缺乏积极进攻精神，只是向租界开炮遥击，故联军损失不大。义和团虽曾多次主动出击，不断给敌人以杀伤，但也没有使联军受到严重打击。又由于清军没有切断天津至大沽间的交通线，致使联军能不断得到兵力和粮弹的补充。27日，联军集中近三千人的兵力，攻占了天津城东面的清军主要军火补给点东机器局。联军夺占该局后，既可免遭该处清军对租界的炮击，又可保证“与大沽通达消息之路”“平安无碍”，改善了防御态势，因而“视为极大之幸事”。
从6月30日开始，围攻天津侵略军的作战又进入了一个新的阶段。当天，裕禄向清廷提出了一个“先将紫竹林洋兵击退，然后会合各营，节节进剿，直抵大沽，……迅将大沽炮台恢复，以固门户”的作战方案。这一方案，是以清政府调赴天津的援军陆续到达为前提的。6月29日，浙江提督马玉昆部十五营六千余人，已由山海关进驻白河河东陈家沟、老龙头火车站附近，6月底7月初，聂士成部除留五营驻守芦台外，共二十五营一万余人陆续齐集天津，分驻于海光寺及盐坨、陈家沟等地；宋庆部十三营正在增援途中。同时，清政府又从天津水会七十二局中招募精壮万余人，成立芦勇、保卫军、安卫军，并将南门外数十个打雁户组成排枪队，驻守南门附近。至此，在津清军已增至两万四五千人，各种民众武装约万人。此外，又有义和团两万余人从青县，静海、沧州、南庆，庆云等地纷纷来津。曹福田、张德成等趁机整顿队伍，使能参战的义和团增至五万人。
此时，在大沽登陆的联军约有一万四千人（随带火炮八十九门），已抵天津租界者约八千至一万人。
7月5日，裕禄、聂士成、马玉昆等同义和团商议，决定对租界内的联军实施“三面进攻之计”。其部署是：由义和团曹福田部及武卫左军马玉昆部从北向南进攻老龙头火车站，夺回东机器局，控制附近铁路线，切断联军至大沽的交通，并相机从北面进攻租界，驻盐坨的武卫前军前路统带周鼎臣部三营助攻车站及租界。由义和团张德成部及淮军罗荣光部，练军何永盛部，在马家口一带从西面进攻租界。由驻南门外海光寺一带的武卫前军聂士成部，从西南面进攻租界，武卫前军后路统领胡殿甲除派一部助攻东机器局外，率领各营四面游击，进行机动作战。其余练军各营、水师营及盐坨各营仍继续炮击租界。
三面进攻开始后，马玉昆部从北面炮击租界和老龙头火车站，周鼎臣部也配合轰击。义和团多次勇猛冲杀。俄军一度被迫退出车站；联军增派日、英、法军前往死守。从7月7日至11日，义和团及清军几乎每天都组织数百人规模的冲锋，战斗相当激烈，仅日军就被打死打伤七十一人。7月5日那天，马玉昆却还与胡殿甲部一起五次猛攻东机器局，虽未夺回该局，但杀伤了不少敌人。
在西面，义和团张德成部及淮军蒋顺发，周行彪部于7月5日晚在靠近租界的马家口同联军激战。张德成事先将义和团群众埋伏起来，然后出其不意地发起围攻，歼敌甚众，并乘胜进抵租界边缘。7月6日，张德成部以火牛数十只为前驱，踩爆联军埋设的地雷，一度冲进租界。租界内的中国居民也利用夜暗打冷枪、烧仓库、施放信号，积极配合清军及义和团打击敌人。
在西南面，聂士成部于7月6日在小西门围墙土台上安置火炮，轰击租界。联军五六百人被迫退至跑马场地道内潜藏，稍后复出，又被清军炮火击散。当晚，聂士成部进驻八里台、跑马场等地，次日又攻至租界南部外侧的小营门一带。
联军为了解除南机器局、跑马场、八里台等处聂士成部炮火的威胁，决定向租界西南发起反击。7月9日凌晨3时，联军步兵一千人、骑兵一百五十人、炮兵两个连（携带火炮九门），以日军五百人为先头部队，出梁园门往南，进攻纪家庄一带的义和团，英、俄、美军则向跑马场、八里台、南机器局发起攻击。法军炮队自租界西南发炮助攻。5时半左右，联军逼攻跑马场，该处清军退往八里台。聂士成闻讯，从小营门率部往援。7时左右，联军夺占跑马场后，即涌向八里台围攻聂士成部。攻占纪家庄的日军也北上协攻。激战多时，聂士成重伤七处，仍挥军奋战，终因伤势过重而阵亡。日军趁势攻占南机器局，因该局离租界太远，不便驻守，遂将其烧毁。午后，联军又撤回租界。聂士成牺性后，余部归马玉昆指挥。
义和团及清军实施“三面进攻之计”，取得了一定的战果。经过此次作战，使联军进一步陷入“欲进不能，欲退不得，疲惫已极”的境地。但是，腐败的清政府不但不激励军民继续奋勇杀敌，扩大战果，反而急于求和。7月8日，清政府任命两广总督李鸿章为直隶总督兼北洋大臣（未至津前由裕禄署理），宋庆为帮办北洋军务大臣，为求和作准备。害怕财产和商务毁于战争的天津缙绅，趁机奔走相告，一时和议之声传遍前线，加上聂士成部作战失利，大大影响了军民的抗敌意志。武器简陋的义和团，在连日进攻作战中，被清军胁迫“充先锋当前敌”，伤亡也很大。7月10日，宋庆率部到达天津（驻于西门外），13日便借故下令屠杀义和团，“半日间城内外树旗设坛者皆散去”，大大削弱了抗击联军的力量。联军则由于大沽援军不断到达，开始由防御转入进攻，战争形势急转直下。
7月12日，租界内的联军已增至一万七千余人。侵略者见清军的进攻业已停止，便准备进攻天津城。当日，联军指挥官会议决定分两路攻城，由俄国海军司令阿列克谢也夫任总指挥。其部署是：阿列克谢也夫率俄军两千六百名为前队，德军两个步兵连，法军一个炮兵连为后援，共约三千人，从白河东岸向北进攻三岔河口水师营炮台及天津城东北，切断河东清军及义和团与城内的联系。由英军少将陶白率英军七百，美将白勒率美军六百，日将福岛率日军两千四百，法军大校派拉克率法军八百，共四千五百人，携火炮二十四门，进攻天津城南门。
当时，清军水师营守三岔河口炮台，马玉昆部十五营驻老龙头车站北侧地区，聂士成部二十五营由周鼎臣，胡殿甲等五个统领率领驻广仁堂、海光寺、南机器局一带，罗荣光（7月9日已死）余部驻城东南至租界西侧一带，练军何永盛部、淮军其余各部及水会等民众武装，守南门及分驻南门外各村落，宋庆部驻西门外，义和团则分散于城内外各地。从兵力部署看，清军建制杂乱，没有统一指挥，而且大部驻守城外各地，城内驻军很少，没有坚守防御的准备。
7月12日夜，白河东岸的俄军向北进攻，13日黎明炮击马玉昆等部阵地。13日上午7时左右，法军炮击城东北壕墙外的火药库，引起爆炸。俄军乘机强攻清军各阵地，并向水师营炮台进攻。至13日中午12时，清军被迫撤出各阵地，纷纷向北郊溃退，联军乘胜进抵东北城下。
白河西岸的英、美、日、法军，以法军为右路，日军为中路，美、英军为左路，于13日凌晨出租界南面土墙，经海光寺向天津城南门进逼。英炮兵则在租界南面壕墙上炮击天津城区。南门外清军奋起抵抗，正西门附近的武卫前军炮兵开炮轰击海光寺附近的联军。此前，城门外居民已挖开河堤，使联军被阻于海光寺附近一带。日、英、法军指挥官决定架桥强攻。14日，日军渡过护城河，直抵南门城下，然后派工兵用炸药轰破城门，乘机攻进城内。南门城上原有清军驻守，后“为众绅民禀清撤去”，“众谓城上不用炮击洋人，洋人必不用炮击城内”。因此，南门内无兵防守，只有部分义和团及民众武装。他们先则在城墙上奋力抵抗，继则同侵略军展开巷战，打死打伤侵略军数百名，但终因经不住侵略军炮火轰击，被迫后撤。
联军从南门入城后，便北上配合城东北的联军夹攻水师营炮台。该处义和团和部分爱国官兵，虽腹背受敌，仍英勇作战，在毙伤敌人二百余名后撤离。当日，联军占领天津，洗劫全城。在城内抗击联军的义和团大部惨遭杀害，退出城外者又遭宋庆军屠杀，伤亡数千人。
在联军攻城时，驻扎城外的宋庆、马玉昆部七十余营两万余人，不但不迎击敌军，反而临阵脱逃。天津前线的最高指挥官裕禄，于城破前即同宋庆所部一起逃往杨村，马玉昆则率部逃往北仓，只有装备简陋的义和团始终英勇顽强地坚持抗战。
这次作战，八国联军死伤九百余人（其中校以上军官二十五名），是联军发动侵华战争以来伤亡最多的一次。
天津之所以失陷，主要由于慈禧集团推行以战求和政策和前线指挥官畏敌怯战造成的。天津的义和团及部分清军官兵，在围攻紫竹林租界时，杀敌热情很高，多次给联军以沉重打击。但是，在战斗的关键时刻，慈禧等人转战为和的态度日趋明朗。她派在中日甲午战争中不战而退的宋庆帮办北洋军务，当裕禄的助手。宋庆当即表示：“中东之役，仅与日本开衅，尚不能支，何况今拒八国？”可见慈禧令其前往天津，名为加强防御，实为媚外求和。宋庆心领神会，一到天津便大肆镇压义和团，露骨地破坏天津军民抗战的大好形势。在作战过程中，裕禄、马玉昆等人驱使装备简陋的义和团群众充当先锋，让清军殿后。义和团既遭外国侵略者的轰击，又遭清军的枪杀，伤亡极大。如在7月9日夜进攻租界的一次战斗中，义和团民阵亡二千余人，而清军伤亡甚少。对此，当时就有人披露，“是夕‘团匪’死者如此之多，并非皆洋兵打死”。这种倒行逆施的反动行径，无疑会使义和团这支真正的反帝爱国力量受到极大的削弱。加上裕禄等人害有“恐洋病”，根本没有坚守天津的决心，遭敌进攻便弃阵西撤，以致本可固守的战略要地天津城，两天内即被联军攻占。