9月21日(八月初七日)凌晨4时，清军由通州和张家湾、郭家坟一带向八里桥推进。上午七时许，英法联军分东、西、南三路对八里桥守军发起攻击。僧格林沁命令蒙古骑兵冲杀，他们用长矛、马刀和弓箭等落后武器，齐声呼喊杀敌。一部分骑兵一度冲到敌军指挥部附近，距敌人四五十米远的地方，短兵相接，英勇杀敌，激战一时许，毙伤敌军千余人。
随后，由于南路法军第二旅将大炮炮弹倾泻在八里桥上，清军遭到重大伤亡。但守军与法军第二旅在桥边进行肉搏战。僧格林沁亲临前线，指挥蒙古马队穿插于敌人的南路与西路之间，试图分割敌军的阵势。尔后，由于胜保所部败退，只是与西路敌军进行激战，因此，僧格林沁指挥蒙古马队分割敌人阵势的计划未能实现。但他仍然“骑着马站在前面，挥舞着黄旗表示挑战”(德·巴赞古《远征中国和交趾**》第2卷，第230～231页，见《第二次鸦片战争》六，第293页)。
八里桥之战，从早上7时打到正午时刻，战斗十分激烈。其中，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。史书中记载：“八里桥之役，中国军队以少有之勇敢迎头痛击联军。他们的军队是由两万五千名鞑靼兵和为数众多的民团所组成的”，“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!然而，他们顶住了使他惨遭伤亡的强大火力”，最后，他们“还是宁愿一步不退，勇敢坚持，全体就地阵亡”(吉拉尔《法兰西和中国》，《第二次鸦片战争》六，第294页)。
还有的史书记载说：“中国人和以勇气镇定著称的鞑靼人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”(保尔·瓦兰《征华记》，见《第二次鸦片战争》六，第292页)。
僧格林沁作为清军的统帅、八里桥战役的总指挥，他以英勇顽强抵抗外国侵略者的精神，奋力指挥全军作战，最后在八里桥上决战的时刻，公然挺身而出，骑着马站在桥中央，命令一名身材高大的蒙古旗手，高举"僧王大旗"挥师抗击敌军。
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