25日清晨，英军炮艇开始进入大沽口内进行定位，包括英军司令何伯座舰在内的7艘炮艇平行排列于大沽口南炮台前，进行威慑与施压。其他炮艇也分别针对大沽口南北岸各个炮台进行施压，还有3艘炮艇开始清除清军设置于河道内的拦江铁链等障碍物。
未进入大沽口内的英军士兵则乘坐小船和抢到的沙船，在后方准备登陆作战。
清军炮台内外则是一片寂静，无一人露面，英法军队甚至没有观察到明显的炮窗、炮口等布防情况。这让前次轻易取胜的英法联军对大沽口的布防情况更加蔑视。
下午2点左右，英军已经差不多清除完了第一道河障。半个小时后，英军炮艇开始冲击拦河铁链。这个时候，清军方面由候补知县曹大绶等人出面前往交涉。
通过之前观察到的种种迹象，认为大沽口地区清军布防极其虚弱的英法联军，认为清军这是“畏其兵势”。因此，交涉未能成功，英法联军气焰高涨，“其势甚要开仗”。
没过多久，双方开始激烈交火。相比前次清军炮手士气有余，但操练不足、射击精度严重堪忧的情况，这次经过训练的清军炮手表现得出人意料。
清军的第一轮射击就准确命中了何伯的座舰，并将其本人击伤。清军普通士兵的士气更是前所未有的高涨。
在南岸炮台中指挥作战的直隶提督史荣椿中炮身亡后，其部不但未崩溃，更是在千总戎发接管指挥权并“亲燃大炮，对准施放”。
清理完第一道河障的几艘英军炮艇首当其冲地遭到了清军的阻击，这些炮艇先是拥挤在河道内，因为重重工事而前进困难，后更是被清军凶猛的火力击退。
三小时后，英军炮艇一沉一瘫。此时的英军炮艇不是在交战，就是受创严重，或者受困于水文问题，以致无法回转拖带大沽口外运载登陆部队的小船。
在英军的主动请求下，在大沽口外观战的美国军舰“托依旺”号，打着“血浓于水”的口号，拖带英法联军的运兵船前往大沽口内助战。
又一个多小时过后，清军南北炮台相继停止开火，英军几乎每只舰船都带伤不说，更有2艘炮艇因为受损过于严重，为防沉没而抢滩搁浅。
傍晚7点20分，即清军南炮台停火约半个小时后，由水兵和少量工兵组成的英法联军登陆部队约700人于大沽口南岸登陆，意图攻取南岸炮台。
他们随即遭到清军以大小火器展开的猛烈阻击，事先由清军挖好的壕沟进一步使英法联军的攻势裹足不前。鏖战数小时之后，伤亡惨重的英法登陆部队于凌晨时分后撤。
此次战斗中，清军约有4500人参战，阵亡士兵25人、军官7人，共折损32人。工事遭遇了不同程度的破坏，有些地方的炮墙加厚至六尺依然被击穿、击碎，火炮也有不同程度的损毁。
英法联军的损失相对严重，英军参战1000余人，在水面战斗中阵亡25人、受伤93人，登陆战斗中阵亡64人、受伤252人；11艘炮艇，被击沉4艘，余下舰船也都负伤了。法军参战60人，阵亡4人，受伤10人。两军共计伤亡448人。
毫无疑问，清军赢得了一场重大胜利。
就这样，僧格林沁成就了这一晚清对外战争中昙花一现的胜利！
而且，让咸丰帝喜出望外的是，洋人在大沽口惨败后，率舰队转而南下到上海修整，居然没有如他之前担心的那样窜扰其他地方。