《天津条约》的签订“不仅不能巩固和平，反而使战争必然重起”，因为英法侵略者远不满足于已经攫取的权益，说什么“条约中有关商务条款不能令人满意”，为向中国勒索更多的特权，极力寻找借口，准备重新发动战争。最终，蓄意利用换约之机再次挑起战争，并极力扩大战争，最终以《北京条约》的签订使第二次鸦片战争得以结束。
（一）换约未成与战端再起
《天津条约》签订一年后，双方要在北京换约。而此时，尽管在《天津条约》签订后，京畿危机暂时得到缓解，但咸丰皇帝却对条约中的相关条款忧心忡忡。咸丰皇帝担心外国公使驻京会损害自己的尊严与声威，而且会带来不可预测的肘腋之变，以及因外国人进入内地而引起内忧等，认为“以派员驻京、内江通商及内地游行、赔缴兵费始退还广东省城”等四项内容，“最为中国之害”。因此，清政府宁愿通过免除关税来换取对条约的修订。这样，对条约内容深感忧恐的咸丰，令桂良等在上海与英法代表谈判通商章程时，交涉修改《天津条约》，取消公使驻京、内地游历、内江通商等条款，并设法避免英法到北京换约。
1858年11月，桂良等与英、法、美代表分别签订了《通商章程善后条约》，规定：鸦片贸易合法化；海关对进出口货物照时价值百抽五征税；洋货运销内地，只纳百分之二点五的子口税，免征一切内地税；聘用英国人帮办海关税务。
但是，远不满足从《天津条约》攫取的种种特权的英法两国，不容变更《天津条约》的各项条款，并坚持要在北京换约。
1859年初，英法政府分别任命普鲁斯和布尔布隆为驻华公使。6月，在拒绝桂良提出的在沪换约的建议后，英国公使和美国公使华若翰各率一支舰队到达大沽口外，企图以武力威慑清政府交换《天津条约》批准书。清政府以大沽设防，命直隶总督恒福照会英法公使，指定他们由北塘登陆，经天津去北京换约，随员不得超过20人，并不得携带武器。英法公使断然拒绝清政府的安排，坚持以舰队护送公使经大沽口溯白河进京。
6月24日，他们炸断了白河上两根拦河大铁链，拔毁了河上的铁戗。大沽一带防务，自1858年英法舰队退走后，清政府即命科尔沁亲王僧格林沁负责。6月25日，英法联军突然向大沽炮台进攻。守卫炮台的爱国将士忍无可忍，奋起自卫还击。在僧格林沁的指挥下，守军英勇抵抗，战斗异常激烈。直隶提督史荣椿、大沽协副将龙汝元身先士卒，先后阵亡。炮台附近的人民冒着枪林弹雨为战士们送饼送面，表现了高度的爱国热情。中国军队在大沽口痛击侵略者，是完全正义的行动。对此，马克思在论述这次战役时指出：“既然《天津条约》中并无条文赋予英国人和法国人以派遣舰队驶入白河的权利，那么非常明显，破坏条约的不是中国人而是英国人，而且，英国人预先就决意要在规定的交换批准书日期以前向中国寻衅了。”“中国人抵抗英国人的武装远征队，毫无疑义地也是有理的。中国人的这种行动，并没有破坏条约，而只是挫败了英国人的入侵。”
经过一昼夜激战，英法联军惨遭失败，损失舰艇多艘，死伤近五百人，英国海军司令何伯受重伤，副司令伤重而死，其余侥幸活下来的都狼狈地逃出了大沽口。
战斗中，美国舰队帮助英法军作战和撤退。8月，美国公使华若翰伪装友好，由北塘进京，返回北塘时与直隶总督恒福互换《天津条约》批准书。在此之前，俄国代表已在北京换约。
（二）战争扩大：英法联军进逼北京
英法联军进攻大沽惨败的消息在1859年9月的时候传到欧洲，英国的伦敦与法国的巴黎一片哗然，叫嚷要对中国“实行大规模的报复”。法国在大沽的损失相当小，但他们的反应也是相当强烈。一个海军上尉说：“长久以来，文明首次在我们所称的野蛮面前止步了”，为了法兰西国旗的荣誉，“远征中国应坚定不移”。就英国方面来看，反应十分激烈。伦敦《每日电讯》宣称，英国应“攻打中国沿海各地，占领京城，将皇帝逐出皇宫”，借以“教训中国人”，让英国人“成为中国人的主人”。《泰晤士报》说：“英国要与法国一起，必要时甚至要单独行动，好好教训一下这些不讲信义的乌合之众；要使欧洲人的名字从此在他们整个领土上成为令人敬畏（如果不是令人喜欢的话）的通行无阻的保障。”英国的巴麦尊内阁从1859年9月16日起，八天之内开了四次内阁会议，最终确定向中国出兵。
1860年2月，英法经过讨价还价，组织了侵华联军。英方出兵一万二千人，总司令格兰特，法方出兵七千人，总司令孟托班，两国政府分别再度任命额尔金和葛罗为全权代表，二百多艘舰船，再度开到中国，扩大侵华战争。
1860年3月，英法联军根据各自政府的训令，向中国发出了最后通牒，提出四项要求。一是为1859年的大沽口事件向英法道歉并归还被清方缴获的枪炮船只；二是有礼貌地接待英法公使进京换约并履行该条约；三是今后英国公使是否驻京由其自己决定；四是为大沽口事件向英法赔偿，数目的多少以上述三项条件履行的快慢来确定。对此，清政府一概拒绝。4月，英法联军占领舟山。五六月，英军占领大连湾，法军占领烟台，完成了对渤海湾的封锁，并以此作为进攻大沽口的前进基地。俄国公使伊格纳季耶夫和美国公使华若翰也于7月赶到渤海湾，再次以“调停人”为名，配合英法行动。清政府在大沽战役获胜后，幻想就此与英法两国罢兵言和。当英法军舰逼临大沽海口时，咸丰帝还谕示僧格林沁、恒福不可“仍存先战后和”之意，以免“兵连祸结，迄无了期”，“不可贪功挑衅”，“总须以抚局为要”，并派恒福与英法使者谈判。前敌统帅僧格林沁则以为敌军不善陆战，因而专守大沽，尽弃北塘防务，给敌人以可乘之机。伊格纳季耶夫为英法提供了北塘未设防的情报。
8月1日，英法联军军舰三十多艘，由俄国人带路，在北塘登陆，没有遇到任何抵抗。8月12日，联军出兵八千余人，分两路攻打新河、军粮城，蒙古骑兵两千人分路迎战。不久，蒙古骑兵退守塘沽。14日，塘沽陷落。8月21日，英法联军水陆协同作战，进攻大沽北岸炮台。守台清军在直隶提督乐善指挥下，英勇抗击，双方从早晨5时开战，到8时炮台失陷，千余名官兵集体殉国。联军损失也不少，英方死二十二名，伤一百七十九名；法军死四十名，伤一百七十名。10时半，大沽北岸炮台全部失守。清政府本无抗战决心，咸丰帝命令僧格林沁离营撤退，清军于是逃离大沽，经天津退至通州（今北京通县），大沽失陷。由于白河两岸没有清军的截击，天津成为不设防的城市，侵略军得以长驱直入，占领天津。24日，在天津地方官“优以礼待”的迎候下，巴夏礼进入天津城内。随后，额尔金、葛罗和伊格纳季耶夫也相继到达天津。
清政府急派桂良等到天津议和。英法提出，除须全部接受《天津条约》外，还要增开天津为通商口岸，增加赔款以及各带兵千人进京换约。此时，咸丰认为：城下之盟本来就是自古以来十分可耻的事情了，如果在加上赔偿银钱，那中国难道真的是没有人了吗？不退兵而索要现银，这岂不是用刀架在脖子上来勒索吗？并且认为，西方国家拥兵换约，“心藏叵测”，担心清政权随之被推翻，因而桂良等人对于英法提出的要求予以拒绝，谈判破裂。
之后，清政府再派怡亲王载垣、兵部尚书穆荫为钦差大臣，取代桂良，到通州议和，但双方争执不下。由于咸丰帝曾下过谕旨：必要时可将巴夏礼及随从等人“羁留”在通州，不要让其返回。因此，载垣等人当即告知僧格林沁将其截拿。于是连同巴夏礼在内，英方的26人和法方的13人，同时在张家湾被俘。载垣等人认为：巴夏礼“善能用兵，各夷均听其指使，现已就擒，该夷兵心必乱，乘此剿办，谅可必操胜算”。至此，通州谈判破裂。
9月18日，英法联军四千人向张家湾进攻，僧格林沁率兵抵抗，终以英法占领张家湾而告结束。21日，清军与英法联军在八里桥展开激战，统帅僧格林沁等率先逃走，致使全军动摇，而遭败绩。22日，咸丰帝带领后妃和一批官员仓皇逃往热河（今河北承德），令其弟恭亲王奕留守北京，负责和议。在英法联军进攻北京时，俄使伊格纳季耶夫又向英法提供了北京防卫的情况，并指出城防薄弱之处。10月13日，英法联军攻入安定门，控制北京城。
（三）圆明园万劫不复
英法侵略军从北塘登陆后，一路烧杀抢掠，野蛮地洗劫了天津和北京，并闯入北京西郊的圆明园，大肆抢劫，每个军官和士兵的口袋和背包都塞满了金银财宝。
圆明园有“万园之园”的美誉，是在明代园林的基础上，历经康熙、雍正、乾隆、嘉庆、道光和咸丰等朝一百五十多年的不断增修扩建而成的。园内本身融汇了东西方建筑艺术的精华，在世界园林史上占有突出的地位。在圆明园中藏有各种无价珍宝、稀世典籍和珍贵的历史文物。法国学者伯纳·布立赛将圆明园和法国来比较，他说：中国的圆明园等于法国的凡尔赛宫加上罗浮宫再加上国家图书馆。
人们常说：希腊有巴特农神庙，埃及有金字塔，罗马有斗兽场，巴黎有圣母院，而东方有圆明园。要是说，大家没有看见过它，但大家梦见过它。这是某种令人惊骇而不知名的杰作，在不可名状的晨曦中依稀可见。宛如在欧洲文明的地平线上瞥见的亚洲文明的剪影。法国作家雨果曾这样对圆明园大加赞美：
请您用大理石汉白玉青铜和瓷器建造一个梦
用雪松做屋架披上绸缎缀满宝石
这儿盖神殿那儿建后宫放上神像放上异兽
饰以琉璃饰以黄金施以脂粉
请诗人出身的建筑师建筑一千零一夜的一千零一个梦
添上一座座花园一方方水一眼眼喷泉
请您想象一个人类幻想中的仙境
其外貌是宫殿是神庙
这样一个宏伟瑰丽的大园林和珍藏宝库，在英法强盗到来之后，一切都随之消失了。英法联军进入圆明园后，格兰特与孟托班放手让士兵们大肆抢劫。由于园内的珍宝不计其数，以至于一些人都不知道该拿什么好。甚至格兰特觉得有人抢得多，有人抢得少，甚至有人没有机会去抢，这不公平，所以叫大家交公来进行拍卖，总计得十万英镑。拍卖后，大家分钱。三分之一给军官们，三分之二给士兵。而拍卖委员会给了他一件纪念品，就是皇帝洗手用的黄金水壶。孟托班把法军发现的一个金库里的金子平分出二分之一，连同一只宝石手杖送给格兰特，以此作为送给英国女王的礼物；另一半金子给他们的法国皇帝。在抢劫的同时，他们还把不能搬走的东西，都毁坏掉。为了掩盖罪行，1860年10月18日，英法侵略联军放火烧毁了这座融汇中外建筑艺术精华、举世闻名的皇家园林，曾经的美丽化为焦土。
雨果愤怒地谴责了这一震惊世界的暴行：“有一天，两个强盗闯入了夏宫（圆明园），一个动手抢劫，一个把它付之一炬。原来胜利就是一场掠夺。胜利者窃走了夏宫的全部财富。收藏在这个东方博物馆里的，不仅有杰出的艺术品，而且还保存有琳琅满目的金银制品。即使把我国所有圣母院的全部宝物加在一起，也不能同这个规模宏大而富丽堂皇的东方博物馆媲美。这两个强盗就是英吉利和法兰西。”连当时在场的英国强盗戈登，也不得不承认“我们就这样以最野蛮的方式，摧毁了世界上最宝贵的财富……你想象不到这座宫殿有多么华美壮丽，更不能设想法军、英军把这个地方蹂躏成什么样子”。
（四）英法美《北京条约》的签订
英法联军在焚毁圆明园后，扬言要炮轰北京城，捣毁清皇宫。奉命谈判求和的奕，请求沙俄公使从中斡旋。俄国公使伊格纳季耶夫提出解决中俄边界问题作为调节的先决条件，然后向奕说，中国“在目前情况下进行抵抗是不可能的”，“必须同意联军的一切要求”，实际是要求清政府无条件投降。在侵略者武力逼迫下，清政府屈服了。
1860年10月24日、25日，奕分别与额尔金、葛罗交换了《天津条约》批准书，同英法分别签订了屈辱的《北京条约》，美国也根据“一体均沾”的条款分享各项特权。在中英《北京条约》中主要规定：一是《天津条约》继续有效；二是增开天津为商埠；三是中国对大沽事件表示“惋惜”；四是赔款数额由《天津条约》规定的四百万两增加为八百万两；五是英国公使如何驻京、是否驻京，以后由英国自行决定。六是割让九龙司归于英属香港界内；七是中国皇帝要颁布谕旨给各省督抚大员，将《天津条约》及《北京条约》刊发各地，让大家都知道。在上述条款都实现后，英国从北京和舟山撤兵。
在中法《北京条约》中同样规定，《天津条约》继续有效，并即日起施行；而大清皇帝对上年大沽事件表示“悔惜”。同时，在条约中规定中国退还以前没收的天主教堂和教产，法方还擅自在中文约本上增加“并任法国传教士在各省租买田地，建造自便”；而赔偿数额则由《天津条约》时的两百万两增加为八百万两。
此外，在《北京条约》中还规定，准许英、法招募华工出国，恤金英国50万两，法国20万两。至此，第二次鸦片战争结束了。
（五）俄国再次渔利
1860年11月，中英、中法《北京条约》签订后，英法联军开始撤离北京。俄国驻中国公使伊格纳季耶夫以“调停有功”为借口，提出了新的领土要求，向清政府提交了一份新的条约草案和俄国单方面绘制的东部边界地图，逼迫清政府“一字不能更易”地答应下来。扬言如果不答应，“兵端不难屡兴”。11月14日，奕被迫在中俄《北京条约》上签字。条约将乌苏里江以东包括库页岛在内的四十万平方公里的土地划归俄国，增开喀什噶尔为商埠，并在喀什噶尔、库伦设领事馆。同时，俄国还将由其提出的中俄西部边界走向强加给中国，即：把中国境内的湖泊河山，作为划界的标志，这为进一步掠夺中国西部领土制造了条约根据。
在第二次鸦片战争结束后，沙俄于1864年又通过武力威胁和外交讹诈，强迫清政府订立《勘分西北界约记》，割占中国西北巴尔喀什湖以东以南四十四万平方公里的土地。到1881年，又通过《中俄改订条约》及以后的几个勘界议定书，割占中国西部七万平方公里的土地。
通过军事侵略和讹诈，沙俄共割占中国领土一百五十多万平方公里，其面积相当于三个法国，六个英国，成为历史上侵占中国领土最多的国家。这在国际关系史上是一次骇人听闻的无耻掠夺。这也使得中国的领土完整遭到进一步破坏，对以后中国历史发展带来不可估量的严重影响。