太平天国北伐刚刚平定，就爆发了第二次鸦片战争。僧格林沁向咸丰帝奏请，撤回谈判代表，调用全国兵员，进行彻底抗战。旋被任命为钦差大臣，加强大沽口海防工事。
咸丰九年（1859年）五月，英法使者率舰队北上换约，舰队由1艘巡洋舰和13只炮艇组成。英法舰队进攻大沽口，遇到清军顽强抵抗。英法舰队遭受重创，被击沉4艘、击伤6艘、俘虏2艘，余下的也竖起白旗，请求停战。经过一昼夜的激战，共毙伤英军464人，法军14人，击毙英国军官5人，伤23人。舰队司令贺布也受了重伤。英法联军在美舰掩护下狼狈退走。
大沽口一役，清军获得了重大胜利。在战斗中，僧格林沁指挥有方，起到了重要作用。
英国和法国是当时世界上首屈一指的强国，大沽口战败，当然不会善罢甘休。
咸丰十年（1860年）六月，英法远征军来到，其中英军约18000人，法军约7000人，兵舰200余艘。联军知大沽口防御坚固，由北塘登陆，在洋枪洋炮的轰击中，僧军虽顽强抵抗，仍不敌败退。
英法联军攻陷塘沽，进占天津。咸丰帝急派大学士桂良为钦差大臣到达天津，会同直隶总督恒福向英法侵略者谈判乞和。9月7日，当谈判破裂后，联军决计进犯北京。
僧格林沁在通州一带的军事部署是：由他统率马、步兵17000人，驻扎在张家湾至八里桥一线，扼守通州至京师广渠门的大道。又命副都统伊勒东阿督带蒙古马队4000人防守八里桥；另有1000名察哈尔蒙古马队由总管那马善统带，防守马驹桥东南之采育，以防敌军从马头西进，绕道进犯京师；直隶提督成保率绿营兵4000人防守通州。副都统胜保率京营5000人驻守齐化门以东至定福庄一带，作为声援僧格林沁和护卫京师的后备部队。僧格林沁统率清军共计达30000人，其中蒙古马队共近10000人。
9月18日，英法联军先头部队自天津北犯，是日中午，自河西逼近张家湾附近，并向张家湾的清军驻地发炮攻击。僧格林沁所部守军早已严阵以待，杀伤敌军众多。英法联军为抵御彪悍的蒙古马队，以数百支康格列夫火箭齐射悍不畏死的蒙古勇士，蒙古骑兵马匹惊骇回奔，冲乱后面的步兵部队，导致阵势混乱，纷纷后退。
在清军失利的形势下，僧格林沁立即率部退入八里桥，以扼赴京道路，随后，英法联军一举占领了张家湾和通州城。通州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。其中，将近1万名满、蒙马队军部署在八里桥一带防守。八里桥东距通州8里，西距京城30里，是由通州入北京城的咽喉要地。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。
上午7时，英法联军分东、西、南三路对八里桥清军阵地发起攻击。清军马队即按原定部署立即由正面冲上前去。他们奋不顾身，齐声大呼杀敌。由于火枪装备有限，就手持长矛、弓箭，凭着一腔热血迎击敌人，企图冲乱和割裂敌人的战斗队形。一部分骑兵冲至离敌人四五十米的地方，有的甚至冲到敌人的指挥部附近。激战1小时，毙伤数百敌人。但清军马队遭到据壕作战的联军步兵密集火力的阻击和敌炮榴霰弹的轰击而大量伤亡，战马因受惊而横冲直闯，几近不能成军，被迫在敌人火力的逼使下退却下来。
随后，南路的法军将大量的炮弹倾泻在八里桥上之后，给胜保部沉重打击，所部伤亡惨重。当法军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敌军展开了白刃战。后因胜保中弹受伤退下战阵，遂率军退至定福庄。
当战斗打响以后，僧格林沁才知晓，主攻八里桥的是南路敌军，而不是西路敌军。为了弥补战前的决策失误，僧格林沁在胜保部与南路敌人战斗的同时，指挥马队穿插于敌人的南路与西路之间，企图分割敌人，而后以步队配合胜保部包围南路敌人，歼灭敌人主力。由于胜保所部溃败，僧格林沁的作战意图未能实现，遂与西路英军展开英勇激战，双方伤亡惨重。
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，但他仍骑着马傲立在阵地上，英勇无惧。
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。敌军官吉拉尔在《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，确实应该属于他们！他们无所畏惧，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做为伟大的、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；而在欧洲则以讹传讹，竟认为中国军队是缺乏勇气的，此乃是一大谬误。八里桥之役，中国军队以少有之勇敢迎头痛击我们。他们的军队是由25000名鞑靼骑兵和为数众多的民团所组成的，然而还是打不过人数较少的欧洲人，这也的确是事实。法国和英国的炮兵压倒了他们的箭、矛、迟钝的刀和很不像样的炮。尽管他们呼喊前进，勇猛和反复地冲杀，还是一开始就遭到惨败！”
僧格林沁作为清军的统帅，以英勇顽强抵抗外国侵略者，奋力指挥全军作战，最后在八里桥上决战的时刻，挺身而出，骑着马站在桥中央督战。德里松伯爵的《翻译官手记》中这样写道：“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……桥头站着一个身材极为高大的鞑靼人，他看起来像是总司令的旗手。他手执一面写有黑字的大黄旗，此乃僧王之旗，所有官长的眼睛都注视着它，因为它正在向全体中国军队下达着命令。此刻，全军精锐亲自所保卫的那座桥也已堆满尸体，然而这个鞑靼人尽管已孑然一身，却仍挺立在那里，可能正在传达僧王的最后命令。子弹、炮弹在他的周围呼呼作响，飞啸而过，而他却依然镇静不动……炮弹正打中了他，把他击倒在地。于是大旗也向一旁倒去，随着旗杆而去的是一只紧紧抓住它的痉挛的手。”
如此可歌可泣的壮烈场面，刻画出中国各族军民义不受辱的爱国精神。中国人虽然败了，但也让外国侵略者看到：这个古老的民族不是那么容易征服的。
是役，冷兵器作战的清军伤亡了2万人，恃枪炮之利的英法联军仅伤亡数百人。
僧格林沁没有殉节，在眼看胜利无望时他撤退了。咸丰帝下令拔去僧格林沁的三眼花翎，削去了他的王爵及官职。
北京失守，咸丰帝逃往热河，不久在那里病死。慈禧、奕与八大臣的夺权斗争剑拔弩张，双方都极力拉拢僧格林沁。僧格林沁坚定地站到皇太后的一边，反对八大臣把持朝政。他是武人，不懂政治，但对大清皇室忠心不二。