12月20日，英法聯軍艦隊進泊廣州城五仙門外的珠江水麵。額爾金和葛羅分乘炮艇從香港趕到。
12月21日，英法公使與兩國海軍司令在法艦上召開作戰會議，決定於24日正午再次照會葉名琛，限其在48小時內交出廣州城，並將軍隊全部撤到城外三十裡，否則武力從事。
而且，英、法二國在廣州城外貼了告示，稱即將攻打廣州城，勸廣州商民暫避炮火。
英法聯軍的軍艦此時就如去年底一樣在珠江遊弋、駐紮。葉名琛這個大聰明此時做出的判斷依然是英法聯軍在恐嚇自己，英國人被印度的兵變牽扯了精力，後繼無力。於是，葉名琛再次拒絕了英美公使的照會。
葉名琛也出了告示，讓廣州城百姓注意躲避炮火。他此時還是認為像去年底一樣，英國人來一通炮轟之後，無兵力占據廣州。
48小時後，也就是2天又過，葉名琛不見英法艦隊任何行動，深以為然，認為自己對形勢的判斷正確無比。
12月27日，葉名琛上奏7000多字予鹹豐帝：英夷現已求和，計日準可通商...乘此罪惡盈貫之際，適遇技窮力竭之餘...一律斬斷葛藤，以為一勞永逸之舉。在誇誇其談之中，隱藏著葉名琛意欲用這種方法讓鹹豐同意他與英國人談判。
一旦與英國人開始談判，葉名琛將開始一次外交拉鋸戰，要從後勤上拖的英法先暫時退兵。
把節節失利的戰事說成英人無計可施，隻為通商求和，這滿足了鹹豐皇帝美好的幻想，麵子上十分好看。就在兩廣總督葉名琛的隱瞞下，鹹豐帝信以為真，下諭：葉名琛既窺破底蘊，該夷伎倆已窮，俟續有照會，大局即可粗定。務將進城、賠貨及更換條約各節，斬斷葛藤，以為一勞永逸之舉。
應該說，葉名琛這次的奏章是達到了自己的目的，鹹豐皇帝的指示中也是同意了葉名琛與英國人談判，隻不過是認為可以利於自己一方的談判。
但是英法聯軍並不懂清朝政治的彎彎繞，派出這麼大規模軍隊，每天的消耗都是巨大的支出，所以，在鹹豐皇帝同意談判的旨意還沒到達廣州的時候，他們動手了。
12月28日清晨時分，英法聯軍開始進攻。一支5500多人聯軍部隊連同20艘軍艦迅速登陸逼近城下。
清廷花費巨資建設的海珠炮台因為葉名琛等人的“不戰”政策，被英法聯軍輕易攻占。
聯軍占據海珠炮台，在海珠炮台架設了自己的火炮，利用地形優勢，直接炮擊兩廣總督府衙。
聯軍使用開花彈進行炮擊，還有康格裡夫火箭進行發射，廣州城陷入了戰火之中。總督府岌岌可危，葉名琛於是躲到了粵華書院。
由於葉名琛在戰與不戰的策略上的反複，“豐南號”提供的火炮和燧發槍起到的作用並不明顯，因為新武器沒有訓練，直接操作，是很難發揮實際作用的，對守城的清軍來說，雖然提升了火力水平，但是還是擋不住在戰場上廝殺多年的英法聯軍。
都統來存、千總鄧安邦率廣東綠營千人殊死戰鬥，殺傷了不少英法聯軍，但是由於清軍大部分戰鬥意誌不強，防守戰後繼無力，隻能退卻。
12月29日上午，英法聯軍攻上了廣州城樓，城內炮台及觀音山頂都被英法聯軍插上了攻占的紅旗。
葉名琛知道廣州城陷，於是派出手下持令箭下令，向廣州各界懸賞搏殺洋人，並調潮州團練攻觀音山，但兩軍戰鬥力懸殊，哪裡還能翻盤。
此時，見大勢已去，廣東巡撫柏貴和洋行的商人伍崇曜等建議議和，去勸說葉名琛，但此時的葉名琛依然不願意議和，還在期望利用民心反擊英法聯軍。
見說不通葉名琛，第二天早上，廣州將軍穆克德訥豎白旗西北城上表示投降，開了廣州城西門，讓城內居民逃跑。
英法聯軍進入廣州城之後，派出士兵看守城門，組織巡邏隊進行巡邏。
然後貼出告示，禁止士兵燒殺搶掠。英國人還在公告中稱這次攻打廣州城，要歸責於葉名琛，葉名琛不願意談判所導致。英法聯軍入城後不會騷擾商戶和居民，談判、軍事都與商民無關，大家安心生活。
稍後，廣州將軍穆克德訥和廣東巡撫柏貴會同署名貼出安民告示，稱和洋人和議可定，城內士民毋驚恐，大家安心生活，商戶正常營業。
見英國人到處搜捕葉名琛，葉名琛的家丁便將葉名琛轉移到左都統衙門。
英法聯軍將兩廣總督府中財物一掠而空，並將廣東布政司庫銀二十萬兩全部取走。
然後又將南海縣大獄裡的囚犯釋放，作為向導分到各小隊，幫助搜捕葉名琛。
這邊搜查葉名琛未果，英法聯軍將已被軟禁的廣州將軍穆克德訥和廣東巡撫柏貴帶到觀音山議事，要在廣州建立臨時的管理機構。
英法聯軍建立了“聯軍委員會”，對廣州進行占領並實施殖民統治。這個委員會設在廣東巡撫衙門裡，由英國領事巴夏禮、英軍上校哈羅威和法軍大佐修萊掌控。他們扶植廣東巡撫柏貴為傀儡，通過柏貴執行他們的意誌。
身在巡撫衙門，柏貴沒有任何自由可言。衙門內外，均有英法士兵把守，柏貴能見誰、不能見誰，自己沒有決定權。他所發布的告示文件，須由巴夏禮等批準，鹹豐皇帝諭旨也被巴夏禮等截取。實際上，以柏貴為首的廣東巡撫衙門成為中國近代史上第一個地方傀儡政權。
1858年1月5日，占領廣州數天後，聯軍繼續逐一搜查各個衙門。葉名琛尚在左副都統署的第五院，當聯軍還搜查第一院時，家丁勸葉名琛逃亡，葉名琛不肯逃。
等聯軍搜到第五院，發現了葉名琛，葉名琛已經做好被抓的準備，已經整整齊齊的將官服和頂戴花翎穿戴好。
真抓到了葉名琛，英國人發現其實這是個燙手山芋，葉名琛又不投降，又不能處死，放在廣州又怕人劫獄，考慮到香港和新加坡也華人眾多，乾脆將其關押到印度加爾各答去。
於是，葉名琛被帶上舢板，送上了英軍的蒸汽輪船，先將其運到了香港。
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