通州僧格林沁所部退守八里桥后,他和瑞麟商定,全军分设南、东、西三路截击敌军。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,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,清军骑兵面对英法联军排炮毫不畏惧,一批一批冲击。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时,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。
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(Pouget)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”。