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”。
八里桥之战是近代军队与封建军队的一次经典战役。英法联军当时已经经历过拿破仑战争锤炼，和最新克里米亚战争中的考验，兵员是义务兵役制加职业军官团。不仅装备的是配备刺刀的前膛燧发枪和滑膛炮。部分使用了，刚刚发明不久最新的线膛火炮和线膛步枪。使用的是空心方阵和三排阵列的战列步兵线等最新战术。而八旗军是以冷热兵器混用为主的步骑混合军队，绿营军装备的是少数进口和仿制的旧式滑膛枪、自制的本国鸟铳，抬枪，抬炮、劈山炮、和大刀、长矛等冷兵器。十九世纪欧洲的近代军队在面对世界各地的封建军队作战时，有不少压倒性的胜利的。八里桥之战，三万多清军伤亡过半，而一万人的英法联军却只有十二人阵亡。
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”，还让他当了参议员。法皇提议再给他年金五万法郎作为奖赏，但遭到了多数议员的反对。议员们认为，发生在八里桥的不过是“一场引人发笑的战斗”，说：“在整个战役期间，我们只有十二个人被打死，不值得再给他那么高的奖赏！”
法军军官吉拉尔在《法兰西和中国》中对清军的英勇作战做了详细的描述：“光荣应该属于这些好斗之士，确是应该属于他们！没有害怕，也不出怨言，他们甘愿为了大家的安全而慷慨地洒下自己的鲜血。这种牺牲精神在所有的民族那里都被看作为伟大的、尊贵的和杰出的……这样的英雄主义在中国军队里是经常可以看到的；而在欧洲则以误传误，竟认为中国军队是缺乏勇气的，此乃是一大谬误。”并点评说：“八里桥之役，中国军队以少有之勇敢迎头痛击联军。他们的军队是由两万五千名鞑靼兵和为数众多的民团所组成的”，“尽管他们呼喊前进，勇猛和反覆地冲杀，还是一开始就遭到惨败！然而，他们顶住了使他惨遭伤亡的强压火力”，最后，他们“还是宁愿一步不退，勇敢坚持，全体就地阵亡”。
保尔·瓦兰在《徵华记》记载说：“中国人和以勇气镇定著称的鞑靼人在战斗的最后阶段表现得尤为出色……他们中没有一个后退，全都以身殉职”。
德里松伯爵的《翻译官手记》中这样写到：“敌人已经两次被打退，却还没有认输，正准备横下一条心来争夺通道。……中国人现在可不是躲在城墙的后面或由工事掩护着来进行战斗，他们现在已挺身而出。在那里，皇帝的鞑靼禁卫军，帝国军队的精华正聚集在首都的大门口。在桥的正中央，冒着枪林弹雨，他们的一位官长骑着马站在前面；他挥舞着黄旗表示挑战，尽管隆隆的炮声盖过一切，可是他还在高声呼喊着。在这位英勇的官长的周围，桥栏的大理石块四散飞舞，我们的炮弹造成了成批的杀伤。死神一刻也没有歇手，却并没有吓倒这些不灵活，却无比勇敢的斗士，他们寸步不退!”
后世有人评价说僧格林沁领导的八里桥之战是中国千年传统的骑兵冲击、冷兵器近战与西方经过拿破仑战争和工业革命后以炮兵为核心的火力战之间的两个时代的决战，血肉之躯终归抵挡不住侵略者的新式枪炮。以及主张八里桥之败却对“师夷长技以制夷”有了进一步认识。
又有人认为僧格林沁在第三次大沽口之役中已经知道冷兵器不能抵抗新式兵器，就不该督率马队与联军决一野战，是他的无知和错误使官兵付出惨重的代价，僧格林沁丧师误国难逃其咎，但与主和派也不可同日而语。
后世文献关于八里桥之战伤亡数据:
2人死亡（一人为英军，一人为印度兵），29人受伤（11名英军，18名印度兵）。所有伤亡人员的姓名和所属部队都在右图中。
《拿破仑三世和他权力的顶峰》记载:提到法军死亡3人，伤18人；英军死2人，伤29人。清军损失超过1200人。同时缴获了“大量的火炮，一堆弓，箭和箭囊，上千把火绳枪，很多旗帜，里面有僧格林沁的皇家大旗，落入了胜利者的手中。”
“哽咽声……”蔷薇在哽咽着，她是一名华夏军人。“我们死了几万人，他们才死了两三个！”她依偎在的蒙易怀着痛哭。
“我们会找机会为他们报仇的!”蒙易安慰道，手上青筋暴起。
他说到做到，去他们的殖民地或首都杀他们几个人没什么问题。
天使追拿出了烈焰之剑做祈祷，对这些英勇无畏死亡的勇士以表敬意。这是她第一次放下高傲的态度。
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