По европейским, сильно завышенным, оценкам у Цэнгэринчи было около 50–60 тысяч войск, в том числе до 30 тысяч конницы. Маньчжурская кавалерия вновь выстроила «коровьи рога» длиной до 5 километров по фронту. В промежутках конных полков располагались артиллерия и пехота, пехотные части находились и позади кавалерии.

Союзники начали сражение в 6 утра: французы повели наступление к мосту Балицяо, а англичане – несколько левее, к небольшому пешеходному мосту через канал у деревни Бусыцяо. Генерал Джеймс Грант планировал решительной атакой в направлении мостов заставить маньчжурские войска отступить к ним и там, пользуясь скученностью массы войск противника, нанести ему огнём большие потери и наголову разгромить.

Техническое и тактическое превосходство позволило полностью реализовать этот план. Решительная атака массы маньчжурской конницы в плотном строю была отражена огнём винтовок и артиллерии. Маньчжурам удалось обойти фланги французских частей, в ряде случаев европейской пехоте пришлось строиться в каре, а выехавшего на рекогносцировку генерала Гранта в зарослях гаоляна едва не захватили в плен маньчжурские всадники.

Но во всех случаях европейские, артиллеристы и пехотинцы хладнокровно встретили атаки тысяч конных латников убийственным огнём почти в упор, не дав им и шанса приблизиться к себе. Понесшую большие потери маньчжурскую конницу преследовали драгуны, сикхи и огонь нарезных пушек.

Отразив кавалерийскую атаку англо-французы сами атаковали позиции китайской пехоты. Полевая артиллерия империи Цин опять не смогла причинить наступавшим заметных потерь, её ядра пролетали над головами европейских пехотных колонн. Угрожая штыками, а местами переходя в рукопашную, англо-французы отбросили китайскую пехоту к мосту Балицяо.

Здесь монгол Цэнгэринчи лично остановил отступавших и организовал упорную оборону, используя сохранившиеся пушки. Англо-французы подтянули свою артиллерию, и некоторое время шла упорная огневая дуэль, в которой техническое превосходство вновь обеспечило победу европейцев.

Но как отмечают русские военные специалисты тех лет Бутаков и Тизенгаузен: «Китайские начальники в течение всего боя показывали своим подчинённым пример храбрости, появляясь на мосту среди сильного перекрёстного огня, опустошавшего ряды защитников и перебившего почти всю прислугу при орудиях».

После огневой подготовки французская пехота штыковой атакой заняла баррикаду на мосту Балицяо, созданную маньчжурскими солдатами из разбитых орудий, и перешла на другой берег канала, преследуя отступавшие части противника. Одновременно англичане вышли к деревянному мосту через канал, не решаясь переходить по нему на другой берег. Таким образом, оба моста были в руках европейцев. Потерявшие путь к отступлению цинские солдаты несли большие потери, пытаясь переправляться через канал под огнём неприятеля.

Подполковник Бутаков и капитан Тизенгаузен так резюмируют исход битвы за столицу Китая: «После полудня 21 сентября сражение у Балицяо было окончательно выиграно, непобедимой маньчжурской коннице был нанесён жестокий удар, и дорога на Пекин была открыта союзникам… Китайцы потеряли в сражении приблизительно до 3000 человек, тогда как потери союзников были в сравнении ничтожны: французы – 3 человека убитых и 17 раненых, англичане – 2 убитых и 29 раненых. Такая значительная разница в потерях произошла вследствие того, что сражение у Балицяо представляло собой бой иррегулярной кавалерии с пехотой и артиллерией, в котором кавалерия, не успевшая уничтожить неприятеля, терпит значительный урон от ближнего огня, в свою очередь не нанося никакого вреда пехоте. Китайская артиллерия нисколько не поддержала своей конницы, так как ни один снаряд не попал в войска союзников. 27 бронзовых орудий было оставлено на поле сражения вместе с массой ручного оружия, брошенного китайцами во время бегства».

После сражения у моста Балицяо англо-французские авангарды оказались в половине дневного перехода к востоку от стен Пекина. Император Сяньфэн эвакуировался на северо-запад, в старую маньчжурскую ставку Жэхэ, предварительно повелев считать своё бегство «непосредственным участием императора в военном походе». Глава Военной палаты «Бин-бу» (европейцы называли его на свой манер – военным министром) генерал Му был отстранён от должности, не столько за военное поражение, сколько за провал мирных переговоров с европейцами.