在清军失利的形势下，僧格林沁立即率部退守八里桥，以防守住赴京的道路。随后，英法联军一举占领了张家湾和通州城。1860年9月19日，朝廷在《著乌兰都迅带马队赴通》的“廷寄”中命令：僧格林沁现扎八里桥，胜保现扎于家卫，防堵由通入京要隘，以截夷人前进也就是说，咸丰皇帝命令僧格林沁防守“由通入京要隘”，这个就限制了僧格林沁的用兵主动权，他只能御敌于京城之外，不能后退，也不能诱敌深入，总之必须死守，这样哪里还有选择作战地点的权力。
僧格林沁不能用夜战的办法，他想用近战的办法，却又办不到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。清军主要还是骑兵部队，将近1万名满、蒙马队军部署在八里桥一带防守。这样的骑兵根本不适合夜战。而八里桥东距通州八里，西距京城30里，是由通州入北京城的战略要地。可以看出这里已经是清军的最后防线。
僧格林沁骑兵部队的快速出击，就是希望与英法联军进行近战，可惜这个目的很难达到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。八里桥之战打响了，清军马队即按原定部署立即由正面冲上前去。清军由于火枪不多，很多士兵只能手持长矛、弓箭，企图冲乱和割裂英法联军的战斗队形，尽量接近英法联军，以便进行肉搏战。
僧格林沁的部分精锐骑兵，最后居然冲到离敌人40米远的地方，有的甚至冲到敌人的指挥部附近。但是，清军骑兵遭到战壕内英军步兵的火力阻击，以及敌人炮兵的榴霰弹的轰击，造成惨重伤亡，战马也因受惊，而横冲乱闯，最后都被敌人的强大火力逼退下来。随后，南路的法军主力第2旅，将大量的炮弹倾泻在八里桥上，给胜保部沉重打击，所部也伤亡惨重。
当法军第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。后因胜保中弹受伤退下战场，此后，他率军退至定福庄。由于胜保所部的溃败，僧格林沁的作战意图未能实现，只能与西路英军展开英勇激战。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，挥舞着黄旗勇敢挑战敌军。
八里桥之战，从早上7时打到12时，战斗非常激烈。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。说白了，僧格林沁的作战意图，就是要与英法联军进行近战，进行肉搏战，但是敌人的火力太猛，不论是精锐骑兵，还是老练的步兵，都没办法靠近敌人。即使冲上去了，也没有战斗力了！敌人火力太猛，而且敌军人数也不少呢！这个战场的兵力对比是3：1，但是清军武器装备太落后，这种包围敌人的作战企图，根本无法达成。
法国远征军中尉，保罗·德拉格朗热，对清军骑兵有详细地描述：“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，以至于一瞬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，炮弹在他们的左右飞驰，他们大都在炮火中倒下了。”蒙托邦、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，最终雅曼率法军占领八里桥。
八里桥之战，是热兵器与冷兵器的一次激烈交锋，英法联军配备有刺刀的前膛燧发枪和滑膛炮。还使用最新式的线膛火炮，以及线膛步枪。而八旗军是以冷热兵器混用为主，步骑混合的军队，绿营军装备的是少数进口和仿制的旧式滑膛枪、自制的本国鸟枪、抬枪、抬炮、劈山炮、以及大刀、长矛等兵器。八里桥之战，三万多清军伤亡过半，而一万人的英法联军几乎没有伤亡。
指挥战斗的法军将领，孟托班回国后，被法国皇帝拿破仑三世封为“八里桥伯爵”，在法国，很多人认为八里桥之战不过是“一场引人发笑的战斗”，因为法军仅有12人被打死。综上所述，僧格林沁的军队主要还是骑兵，骑兵比较适合在开阔地作战，而且他的军队在数量上又有优势，有形成包围战的可能。僧格林沁也是根据朝廷的命令行事，御敌于国都之外是皇帝的旨意，他没有用兵的自主权，因此，僧格林沁不能用夜战的办法，根据敌我形势，他也想用近战的办法，却又办不到。
