为了加紧进攻天津，帝国主义开始不断增兵。至六月（7月）上旬，兵力已达1.8万余人。六月十三日（7月9日），联军分三路围攻据守天津城西南的聂士成军和团民，遭到清军和义和团的顽强抵抗。正如一位外国官员所言：“我曾经见到过世界各地的战斗，但从来没有见到过象对付这些未经训练过的中国人更为艰苦的战斗了。”聂士成力战身亡。就在这关键时刻，清廷派力主镇压义和团的四川提督宋庆到天津主持军务。宋庆按照朝廷的旨意，命令军队大肆屠杀义和团。在中外反动势力的夹攻下，义和团受到严重伤亡，大大削弱了守卫力量。六月十八日（7月14日），天津城陷落。
清廷在天津失陷后，更急于投降，派人到外国使馆慰问，表示道歉、赔款、惩凶。但是，帝国主义为了攫取更多的侵略权益，拒不理睬，加紧准备进犯北京。七月初十日（8月4日），八国联军近20000人，从天津沿运河两岸向北京进犯。义和团和部分清军进行了英勇抗击。但清廷却任命李鸿章为议和全权代表，向侵略者乞和。二十日，侵略军占领北京。慈禧太后带领光绪帝，仓皇逃往西安。联军以北京为基地，四出扩大侵略，占领山海关、保定等地。
在镇压义和团的过程中，侵略军到处烧杀抢掠，犯下累累暴行。在攻陷大沽后，连日纵火，将繁华的市区夷为平地。攻入天津后，联军对着逃难群众任意开枪、放炮，天津城内“但见死人满地，房屋无存”。占领北京后，八国联军开始了更加疯狂的屠杀和掠夺。他们大肆杀戮义和团民，仅在庄王府一处，就杀戮、烧死了1700多位团民。任八国联军总司令的德国元帅瓦德西还纵兵大掠三日，其后更继以私人抢劫。当时，从公使、将军直到传教士、士兵，都参与了这一暴行。日军从户部抢去白银300万两，并烧房毁灭罪证。各官衙所存库款被抢劫一空，损失约计6000万两。堆满金银和历朝宝物的皇宫、颐和园等地，也遭到洗劫，大量的珍贵文物被抢掠、毁坏。明代的《永乐大典》在第二次鸦片战争中被英法联军洗劫，成为残本，此次又失去307册。正如时人所言，经过这场浩劫，“中国自元明以来之积蓄，上自典章文物，下至国家奇珍，扫地遂尽”。
俄国除参加帝国主义联军外，还单独出兵侵占中国东北地区。当义和团运动发展到东北地区后，光绪二十六年六月（1900年7月），俄国以保护中东铁路为借口，调集15万军队，分兵几路，先后攻入黑龙江、吉林、盛京。到八九月（10月）间，东北全境几乎都被俄军控制。俄国侵略军到处烧杀抢掠。仅在海兰泡和江东六十四屯被杀害、烧死和淹死在黑龙江里的中国人民就有7000多人，历史悠久的古城瑷珲被烧成一片瓦砾。列宁当时就愤怒谴责俄国侵略者“把一座座村庄烧光，把老百姓赶进黑龙江活活淹死，枪杀和刺死手无寸铁的居民和他们的妻子儿女”。
面对俄国的野蛮侵略，东北义和团和各族人民到处掀起了抗击侵略军的武装斗争。后来，他们组成了“忠义军”转战各地，提出了“御俄寇，复国土”的口号，不断袭击俄军，使其坐立不安。