南路溃败使僧格林沁分割敌军阵势的计划彻底落空，他只得指挥所部通过八里桥向后撤退。联军为了阻断僧军的退路，立即集中炮火对八里桥实施了轰击。
中国军队主要通过挥动旗帜来传递命令，一名英军翻译注意到，桥头站着一位身材极为高大的蒙古旗手，他手执一面绣有黑字的大黄旗，不时将大旗指向各个方向，其间丝毫不顾子弹、炮弹在自己周围呼呼作响，飞啸而过。
不久，八里桥上就堆满了尸体。这名勇敢的旗手也终于被一枚霰弹击倒在地，大旗向一旁倒去，英军翻译看到，紧随旗杆而去的，是“一只紧紧抓住它的痉挛的手”。
战后，很多联军士兵都叹服于对手在战斗中表现出的无畏精神：“中国人和以勇气镇定著称的鞑靼人（此处应特指蒙古步骑兵）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。”
僧军主力撤至八里桥后方后，格兰特经过对战场的观察，决定分兵一部从胜保军退出的南路实施抄袭。幸亏左翼的蒙古骑兵及时发现了英军的企图，经过一番奋力冲击，这才阻滞了敌人的凶猛攻势。
在战况不利的情况下，出于“严防京师”的考虑，僧格林沁率部退往北京城郊的皇木厂。与此同时，迎击东路敌军的瑞麟部队也退至皇木厂，与僧军合兵一处。至此，作为第二次鸦片战争中最关键也最悲壮的一次战役，八里桥之战以中方落败告终。张家湾、通州城、八里桥全部失守，京城门户大开，整个北京真正能够用来防御的，只剩下了一道古老城墙。
锡克骑兵奉命对北京城进行了侦察。根据他们的描述，北京城城高十余米，看上去非常坚实高大，而且城头布满密密麻麻的塔楼，不过城里似乎并没有军队守卫。
格兰特不相信北京没有军队驻守，他担心仅靠随军的火炮无法轰开城墙，使他像第二次大沽口战役中的何伯那样蒙受丢脸的失败。这时联军的弹药储备已经消耗得差不多了，每门随军火炮仅剩下四十多发炮弹，再加上从张家湾之战起，出战的联军就只是其总兵力的一部分，大部队尚在天津，若现在攻城，兵力上也严重不足。
额尔金和葛罗生怕迟了巴夏礼等人质会性命不保，故而向格兰特施压，要求赶快攻城，但格兰特仍然拒绝动兵，非要等后续援兵从天津开来不可，最后两人也只得以格兰特的决定为准。
得知前方兵败，正在圆明园内的咸丰大为惊骇，他深知禁军不足恃，京城不可守，遂决意“巡幸木兰”。1860年9月22日，在事先未通知臣僚，甚至连銮驾都没有准备的情况下，他便匆匆逃往热河。
七年前，咸丰对王公大臣们说：“国君死社稷，礼也。”当时的他面对大兵的进逼，虽然也曾有重蹈前朝覆辙的担忧，也曾恐惧害怕和战战兢兢，但终究还是硬着头皮站出来，以与社稷共存亡的决心接受了挑战。
在而后七年的时间里，内忧外患的不断折磨以及对犬马声色的沉沦，显然已经严重地磨蚀了咸丰的耐力、意志力以及勇气，让他逐渐变得极为胆小怯懦甚至猥琐。作为一国之君，他不仅在朝野最需要他担当的时候放弃责任，当了逃兵，而且还密谕留京的恭亲王奕訢，让弟弟在议和不成、战又不胜的情况下也偷偷逃往热河。
咸丰的这种做法足以让他声誉扫地。知晓内情后，人们理所当然地认为：“上意直弃宗社臣民如敝屣。”皇帝为了保住自己的性命，已经可以像对待一双破鞋一样，把祖宗基业和他的臣民全都扔掉了！
由于逃得实在过于匆忙，咸丰出京时所带随从很少，嫔妃仅皇后、懿贵妃等十三人，随行大臣也只有几个王爷、军机大臣以及端华、肃顺等。逃亡的当天，咸丰能够得到的食物仅仅是两个鸡蛋，次日，他和嫔妃们才喝了几碗小米粥，后来有一天甚至连咸丰自己都没能填饱肚子。
正所谓“国家多难，天子蒙尘”，咸丰绝想不到自己有一天真会落到这样的地步，忍不住伤心地落下泪来。