8月24日，英法联军占领了天津城。9月7日，当谈判破裂，联军决定进犯京师。到9月19日，英法联军对八里桥一带地区开始全面的军事侦察，考察了地形、气候等因素，通过入华多年的传教士为辅助。英法联军通过侦察发现从北京到通州运河沿岸部署有大量的清军，在运河上有一座17世纪石料单孔桥，即为八里桥，距京师约8公里。
僧格林沁在通州一带军事部署，由他统率骑、步兵17000人，驻扎在张家湾至八里桥一线，扼守通州至京师广渠门的大道。又命副都统伊勒东阿督带蒙古马队4000人防守八里桥；另有1000名察哈尔蒙古马队由总管那马善统带，防守马驹桥东南之采育，以防敌军从马头西进，绕道进犯京师；直隶提督成保率绿营兵4000人防守通州。副都统胜保率京营5000人驻守齐化门以东至定福庄一带，作为声援僧格林沁和护卫京师的后备部队。僧格林沁统率清军共计达30000人，其中擅长肉搏战的蒙古马队共近10000人。1860年9月18日，英、法联军先头部队自天津北犯，是日中午，自河西逼近张家湾附近，并向张家湾的清军驻地发起炮击。僧格林沁所部守军早已严阵以待，冲锋号角响起，天上的三人看到骑兵向敌阵勇猛冲锋。
英、法联军为抵御彪悍的蒙古马队，用数百支康格里夫火箭向蒙古骑兵齐射。悍不畏死的蒙古勇士，蒙古骑兵马匹惊骇回奔，冲动后面的步队，导致阵势混乱，纷纷后退。在清军失利的形势下，僧格林沁立即率部退入了八里桥，以扼赴京道路。随后，英法联军一举占领了张家湾和通州城。
1860年9月，清朝朝廷在《谕僧格林沁等应敌机宜》的“廷寄”中询问：“僧格林沁自退扎八里桥之后，日来与该夷是否又经见仗？”在《著乌兰都迅带马队赴通》的“廷寄”中指令：“僧格林沁现扎八里桥，胜保现扎于家卫，防堵由通入京要隘，以截夷人前进……著乌兰都迅即统带所部马队官兵二千三百名，日夜趱行，前往通州以西八里桥地方，听候僧格林沁等调拨，勿稍迟延。”
通州僧格林沁所部退守八里桥后，他和瑞麟一起商定，全军分设南、东、西三路截击英法联军。其中，将近1万名满、蒙马队军部署在八里桥一带防守。八里桥东距通州八里，西距京城三十里，是由通州入北京城的咽喉要地。清军利用八里桥周围的灌木丛林天然遮蔽，在这里构筑了土垒和战壕，准备和敌军在此决一死战。9月21日凌晨4时，英法联军由骑兵在前开路向八里桥方向推进。
凌晨5点半，英法联军发出了出发信号。雅曼率领法军两个炮兵连和参谋部兵员，科利诺率领法军一个炮兵连居中，成为先头部队，英军居后。英法联军各有4000余人，共为8000余人，投入战斗的清军共2.5万至3万人。蒙托邦声称是清军首先发动了进攻，他们自卫还击。清军骑兵面对英法联军排炮毫不畏惧，一批接一批的冲击。清军发现英法联军中法军和英军之间的空隙，趁机冲击进入，一度突破了英法联军的防线。
上午7点，英法联军分东、西、南三路对八里桥清军阵地发起攻击。东路为雅曼指挥的法军第1旅，西路为格兰特直接指挥的英军。南路担负着主攻八里桥的重任，是科林诺指挥的法军第2旅。此次作战以法军为主，由法国人孟托班担任总指挥。
当法军的第2旅的两个前锋连队冲到桥边时，守卫石桥的清军士兵勇敢地冲出战壕与法军展开了血刃战。
“弟兄们!杀洋鬼子!”一个士兵大吼，因为这些黄毛鬼屠了他的村子。
战斗中胜保中弹受伤退下战阵，想率军退到定福庄。当战斗打响以后，僧格林沁才知晓，主攻八里桥的是南路敌军，而不是西路敌军。为了弥补战前的决策失误，僧格林沁在胜保部与南路敌人战斗的同时，指挥马队穿插于敌人的南路与西路之间，企图分割包围敌人，随后以步队配合胜保部包围南路敌人，歼灭敌人主力。由于胜保所部溃败，僧格林沁的作战意图未能实现，遂与西路英军展开英勇激战，双方伤亡惨重。
上午9时，英军兵分两路，一部分继续与僧部对抗，一部分向于家围进攻，企图抄袭僧军后路。僧格林沁分兵无术，面临腹背受敌的险境，但他仍然“骑着马站在前面，挥舞着黄旗表示挑战。八里桥之战，从早上7时打到12时，战斗十分激烈。
其中，蒙古骑兵在战斗中表现得异常勇敢，冒着敌人的密集炮火，多次冲向敌军阵营进行英勇的战斗。
法国远征军中尉保罗·德拉格朗热对清军骑兵描述：“炮弹和子弹无法彻底消灭他们，骑兵们似乎是从灰烬中重生。他们如此顽强，以至于一时间会拼命地冲到距大炮只有30米远的地方。我们大炮持续和反复地排射，炮弹于他们的左右飞驰，他们终于在炮火中倒下了。”蒙托邦、科利诺、雅曼等部队采用刺刀、炮火持续攻击，布杰少校率领法军第101旅夺取了清军阵地中心村庄，雅曼率法军占领了八里桥。
英法联军开始采用大口径火炮射击拼死一战保卫八里桥的埋伏清军，最终占领了八里桥，桥上的清军尸横遍野。蒙托邦回忆：“八里桥成了这一天最动人的一幕。早晨还斗志昂扬的那些清军骑兵，现在都已消失得无踪影了。这座桥是一种古老文明造就的伟大古迹。那些衣着华丽的骑兵，在桥道上挥动旗帜，毫无掩护地以一种对我们的大炮和火炮无能为力的炮火，作出了反击。”
据俄特使伊格估计，当时清军投入约5至6万人，其中3万骑兵，损失1000人（清朝自己估计为3000人）。法军死亡3人，受伤17人，英军死亡2人，受伤29人。1860年9月21日，英法联军自郭家坟向八里桥附近进攻。胜保、僧格林沁、瑞麟奉命迎击，激战半日后僧部溃退，胜保、瑞麟继续督军奋战，激战中胜保连中数弹而昏晕落马。最终清军战败，英法联军也遭受打击。战后胜保受咸丰美誉“忠勇性成，赤心报国”。