光绪二十六年（1900）五月二十一日，大沽炮台失陷后，天津义和团及清军即开始攻打紫竹林，天津战役由此爆发。六月初一日，义和团著名首领张德成率“天下第一团”五千余人入津，参加战斗。清政府鉴于驻津清军势单力薄，聂士成部武卫前军仅十营驻津，遂急调马玉昆、宋庆驻山海关军队往津增援。在津清军也加入了攻打紫竹林的战斗。聂士成部为清军中战斗力较强的新军，在租界与联军恶战十余次，斩杀敌军比其他各军都多。但各国联军从大沽源源进入天津，至五月底六月初，紫竹林内联军已逾一万四千人，且有野炮五十多门，机枪三十余挺，战斗力大为加强，六月初三日，领事团将战守事宜移交联军，加强了军事指挥。十三日，租界联军分路向天津西南郊进攻。六千余联军在纪家庄屠杀团民群众上千人，随后扑向驻守八里台的聂士成部，将其团团围住。聂士成率将士与敌军激战两个多小时，伤亡严重，复以弹药不继，遂奋力突围。但由于联军炮火猛烈，“聂军几无一生者，惟见尸身仆于血泊中”。聂士成左右腿均被击中，仍身先士卒，奋臂驱马向前杀敌，身上又中弹多处，“腹破肠出，犹挥军前进”，不料，头部连中两弹，遂壮烈牺牲。聂士成死后，清军失去统帅，天津防御力量急剧衰退。十四日，新任帮办北洋军务大臣宋庆接手天津战事。他伙同马玉昆大肆屠杀义和团。在攻打租界时，义和团的先锋，宋、马却令清军在背后枪杀团民。十七日，侵略军对天津发起攻击，宋庆不思迎敌，反“下令军中，痛杀拳匪”，半日之间，城内神坛多被捣毁。义和团接受招抚后，对清军毫无戒备，结果被戮数千人，以至无人守城巡街、盘查奸细。宋庆屠杀义和团后，护送直隶总督裕禄等逃到杨村，马玉昆逃往北仓。坚守天津城的义和团及练军，虽兵力单薄，仍顽强抵抗。十八日凌晨，日军扮团民赚开天津南门，用炸药炸毁城墙，联军大批涌入，守城军民与敌展开肉搏。张德成、杨寿臣等义和团首领虽负伤仍率众杀敌，后抵敌不住，撤出天津。练军守备宋春华等人战死在城墙上。这一战毙伤联军七百多人。侵略军攻陷天津后，在城中心鼓楼架炮，向逃难人群轰击，使城内鼓楼至北门外水阁，积尸数里，高数尺。联军连日屠杀，使海河上漂尸阻塞了河流，城内死人满地，房屋无存。官署、钱庄、商店、工厂、仓库、民宅，均被抢掠一空。仅长芦盐务署一处，被日、美侵略军抢去的白银，就可堆成高宽各三十英尺的银山。造币厂的几百吨存银，被俄军抢光。二十六日，由列强主持的天津都统衙门成立，对天津、静海、宁河等地实行殖民统治。俄国率先在占领区强行成立俄租界，占地达五千九百多亩。各国纷起效尤，已占有租界的英、法、日、德则乘机扩大地盘；未占有租界的意、比、奥也各占一块，形成各国列强分治天津的局面。

光绪二十六年（1900）四、五月间，为了镇压义和团运动，各国纷纷将战舰集结到天津大沽，遂派遣一批批海军陆战队登陆，进入在紫竹林租界。各国联军进入租界后，即与租界地内武装起来的人员相配合，以租界为据点，不断地攻击和枪杀义和团民和当地民众。五月二十一日，八国联军占据大沽炮台后，义和团和部分清军立即分数路围攻紫竹林租界，进行反击。联军为了控制海河，企图占领河东武备学堂，学堂内爱国学生奋起抵抗，联军久攻不下，放火焚烧房屋，使储藏军火爆炸，数十名学生壮烈牺牲。义和团闻讯赶到，经战斗，迫使联军退回租界。五月二十四日，二千余联军从塘沽开往紫竹林增援。义和团在其途经的浮桥两端截击，打死打伤联军近百名，其中包括一名德国将军。攻打紫竹林的战斗中，以老龙头火车站战场最为激烈。该站地处交通枢纽，是租界北面的门户，有俄军一千七百余人驻守。天津义和团著名首领曹福田率数千团民及清军，对老龙头车站发起猛攻，在义和团潮水般的冲击下，打得侵略军“皆高挂白旗，以示不战”。但曹福田仍率团民攻打不休，西方记者云：俄军“竟死伤有五百名之多”。六月初一日，曹福田给租界联军下了道战书，指出天津市内为烟稠密，交战伤及百姓；而天津东郊“有旷野，堪作战场”，要求侵略军“定准战期，雌雄立见”。翌日，义和团著名首领张德成率“天下第一团”进入天津。六月初三日，即投入攻打紫竹林，激战数小时，一度占领火车站。六月初六日，张德成又率团从马家口冒死猛攻租界。为冲破侵略军的地雷封锁，张大摆“火牛阵”。团民以火牛开路，冲入租界区，杀死杀伤许多侵略军。直到六月十八日天津失陷，义和团和清军围打紫竹林的战斗整整持续了一个月，毙伤大量联军，使得侵略者“狼狈不堪”，“相对而泣”。

光绪二十六年（1900）五月上旬，开进天津租界内的各国联军已逾二千人。五月十一日前后，各国驻华公使被授予武力镇压义和团全权。他们立即要求在津的各国部队向北京进发。五月十三日，八国联军正式组成后，制定了夺据天津，由铁路进犯北京的计划。次日，联军中统帅英军中将西摩率联军二千余人，分三批由天津乘火车北进。消息传到北京，董福祥率领的清兵甘军迅速控制了北京车站，准备迎击联军。十五日，前往火车站迎接联军的日本使馆书记官杉山彬，在永定门外被甘军射杀。在联军开往北京的途中，沿铁路线的义和团及民众破坏了铁路，随处拦击侵略者。联军只得边与义和团及民众边修路行进。第一天只走了四十多公里，第二天走了十六公里，第三天则进军不过五公里。当联军到达廊坊时，被蜂拥而来的义和团及民众包围。这些团民和民众直扑联军，英勇无比，其中多数为少年，联军开枪射击，团众死亡惨重，但仍前仆后继。附近村庄团民闻枪声纷纷赴往战场，使联军被团团围困在廊坊。十八日，联军突围北进，团民则继续围堵，奋不顾身，直逼火车。他们面对来福枪和机关枪的扫射，毫无惧色，勇猛前冲。同日下午，义和团又猛攻京津路上已被联军占据的落（伐土上下结构）车站，迫使西摩派部分联军回援。这一路联军被包围在廊坊和杨村之间，前后两端的铁路都被拆毁，火车无法行进。联军进退失据，供应断绝。二十日，西摩率领部分联军退到杨村，企图改由运河水路北犯。二十二日，数千义和团团民和二千余甘军将士向廊坊的联军发起猛攻，激战两个多小时，毙伤侵略者五十四人，残余之敌被迫全部退至杨村。当日夜晚，义和团和甘军袭击杨村，联军又伤亡近四十人。在义和团和甘军的围击下，联军“进京之路，水陆俱穷”。二十三日，西摩无力北犯，遂率部从杨村由水路逃往天津，沿途继续遭到义和团和民众的袭扰和打击，伤亡惨重。二十七日，联军退至西沽，夺占武库，随即又被清军和义和团围住。直到三十日，大队联军赶到，才使被围的联军退回天津。这一战被称为廊坊之战的战役，联军被击毙六十二人，伤二百二十八人。事后，联军统帅西摩心有余悸地说：“义和团所有设为西式枪炮，则所率联军必全体覆没”。

光绪二十七年（1901）十二月，清政府任张百熙为京师大学堂管学大臣，并命他裁定学堂章程具奏。光绪二十八年（1902）七月十二日，张百熙进呈《京师大学堂章程》、《考选入学章程》、《高等学堂、中学堂、小学堂章程》以及《蒙学章程》各一份，共六件，候旨颁行。这些章程对辛丑年以后清政府设立的各级各类学堂的学制、入考方式、教学内容等，做出一一些系列规定，是中国近代学堂教育体系整体设计的最初方案。进呈当日，即由清政府颁行，被称为钦定学堂章程。

光绪二十七年（1901），留学日本的中国留学生已逾千人，留学生中遂酝酿组建中国留学生会馆，以便联络感情，结成团体。但由于经费无着，筹建之事提起旋辍。光绪二十八年（1902）正月初三日，清政府驻日公使蔡钧在东京九段坂偕行社大宴中国留学生，出席学生二百七十四人，觥筹交错之间再次提出成立留学生会馆事，并请蔡钧资助，蔡钧接受了学生的申请书，并当即同意。于是，与会者全体议决举蔡钧为会馆总长，留学生监督钱恂为会馆副长，还推举了会馆章程起草员。二月初七日，留学生在东京锦辉馆召开大会，会议会馆章程，选举了十二名会馆主要工作人员。章程共分五节，主要内容是定名为清国留学生会馆，宗旨为“联络情谊，交换知识”，并规定了职员人数、选举办法、经费筹集。二月二十一日，在会馆所在地东京神田区骏河台铃木町十八番地，召开了会馆成立大会，并宣布正式开馆。会馆干事范源濂致开馆辞，郑重宣布清国留学生会馆成立。从此，中国留日学生有了民主自治的团结核心，该组织对内有约束中国留学生纪律的责任，对外有代表留学生争取合法权利的义务。

光绪二十七年（1901）二月十二日，中国近代著名科学家徐建寅不幸逝世。徐建寅生于道光二十五年（1845），其父是晚清著名科学家徐寿，曾翻译了《汽机发轫》、《化学鉴原》等近代科学著作，为近代化学在中国的传播做出了巨大贡献。徐建寅自幼追随其父，耳闻目濡，参加实验，对近代自然科学产生了浓厚的兴趣。同治二年（1863），他协助其父完成了木壳轮船“黄鹄号”的制造。同治五年（1866），徐寿受命襄办江南机器制造总局，并主持翻译馆，徐建寅参与了翻译近代科学书籍的工作，翻译出《化学分原》、《声学》、《电学》、《兵学》、《器象显真》、《石板印法》、《造铁全法》、《汽机新制》等科学、兵法新书二十多种。同治十三年（1874），李鸿章创办天津制造局，调徐建寅负责研制火药必需的硝酸。徐凭借对化学的丰富理论知识和实验技术，很快研制成功，且比进口货便宜许多。光绪元年（1875），徐建寅奉调山东机器局总办，“躬自创造，未尝延用西人”，建成一座新型枪炮弹药工厂。光绪五年（1879），徐建寅以驻德参赞名义，到德、英、法考察造舰及军事工业。徐建寅在欧洲对资本主义近代工业进行了认真的考察，仔细了解生产过程和设备运转，工人操作细节，把他认为对中国有参考价值的东西都记录了下来。在他逗留欧洲期间写的《游欧杂录》中，他详细介绍了许多当时世界上最先进的金属加工工艺和设备，如模锻、挤压、冲制成型、仿形切削、转炉炼钢、电冶铜等等，有的笔记几乎同技术文件没有区别，对中国近代工业的发展，产生了十分有益的启示和影响。戊戌变法时期，徐建寅以其丰富的科技知识和实践，被派任新设立的农工商总局督理。但戊戌政变后，许多新事物被扼杀，农工商总局亦被载撤。徐建寅后来受张之洞之邀，到湖北帮助兴办工业和训练新军，八国联军入侵中国后，外国停止向中国供应火药，徐建寅遂赴汉阳钢药厂研制硝化纤维无烟火药。徐建寅认为：列强交迫，军火尤为重要，所以殚精竭虑，夙夜赶制，“日手杵臼，亲自研炼”，终于试制成功，并准备大量生产。光绪二十七年（1901）二月十二日，徐建寅与工匠们一起拌和药料，不想机器磨擦过热，生火炸裂，声如霹雳，火焰冲天，徐建寅与在场的另十三人同时遇难。

光绪二十七年（1901）八月，两江总督刘坤一、湖广总督张之洞会奏变法，议及兴办学堂，先行设局编译教科书。二十日，清廷命刘坤一、张之洞按会奏所陈，择要举办。当月，编译教科书的机构成立，该局设在江宁，初名江鄂书局，后改江楚书局。刘世珩为总办，缪荃孙为总纂，陈作霖、姚佩珩、陈汝恭、柳诒征为分纂。书局成立后即开始编译书籍。罗振玉、刘大猷、王国维在上海翻译日本书籍。另由陈季同、陈庆年先后主译西书。

光绪二十七年（1901）七月二十五日，清政府全权谈判大臣奕劻、李鸿章，与英、美、俄、德、日、法、意奥、西、荷、比十一国公使在北京签订《辛丑条约》。《辛丑条约》共十二款，另有十九个附件。主要内容有：一、赔款四亿五千万两白银，以关税、盐税和常关税作担保，分三十九年还清，年息四厘，本息合计白银九亿八千余万两，被称为“庚子赔款”。二、在北京东交民巷设立使馆区，界内不准中国人居住，由各国派兵驻守。三、拆除大沽炮台和北京至大沽沿途的炮台；天津周围二十里内，不得驻扎中国军队；各国派兵驻守北京和北京至山海关沿线十二个战略要地。四、清政府在各地颁布上谕两年：“永禁或设或入与诸国仇敌之会，违者毕斩”；各省官吏必须保护外国人，否则即行革职，永不叙用，惩处祸首诸臣将；有外国人“被虐”“被杀”地区，“停止文武各等考试五年”。五、清政府允将各个通商条约中，诸国视为应行商改之处，其他应办的通商事项，“均行议商”。六、将总理各国事务衙门改为外务部，“班列六部之前”。七、清政府分派诸王大臣赴德、日两国“谢罪”；并在德国公使克林德、日本使馆书记生杉山彬被杀处建立牌坊。

清政府宣布实行“新政”后，在外国资本主义列强的要求下，对传统的官制和机构一些形式上的改变。光绪二十七年（1901）六月初九日，清政府宣布撤消总理各国事务衙门，改设外务部。该旨令宣称：“现当重定和约之时，首以邦交为重，一切讲信修睦，尤赖得人而理”，因此对总理各国事务衙门进行改组。外务部“班列六部之前”。派奕劻总理外务部事务，王文韶为会办大臣，瞿鸿礻几为尚书，余寿朋、联芳为右侍郎。

辛丑条约签订后，列强为加强对中国的控制，要求清政府进行所谓“改革”。清政府鉴于国民不满情绪日益高涨，统治日趋不稳，也不得不对传统方式做改弦更张，遂公开表示将实行“新政”。光绪二十七年（1901）三月初三日，清政府下令设立督办政务处，以为推行新政的办事机关。派奕劻、李鸿章、荣禄、王文韶、昆冈、鹿传霖六人为督办政务大臣（后又增派瞿鸿礻几）、刘坤一、张之洞（后又增派袁世凯）遥为参预。政务处下设提调二人，章京若干。该处负责制订新政各项措施，掌管各地官吏奏章及办理全国官制、学校、科举、吏治等事务。光绪三十二年（1906）督办政务处改为会议政务处，次年并入内阁。