12月20日，英法联军舰队进泊广州城五仙门外的珠江水面。额尔金和葛罗分乘炮艇从香港赶到。
12月21日，英法公使与两国海军司令在法舰上召开作战会议，决定于24日正午再次照会叶名琛，限其在48小时内交出广州城，并将军队全部撤到城外三十里，否则武力从事。
而且，英、法二国在广州城外贴了告示，称即将攻打广州城，劝广州商民暂避炮火。
英法联军的军舰此时就如去年底一样在珠江游弋、驻扎。叶名琛这个大聪明此时做出的判断依然是英法联军在恐吓自己，英国人被印度的兵变牵扯了精力，后继无力。于是，叶名琛再次拒绝了英美公使的照会。
叶名琛也出了告示，让广州城百姓注意躲避炮火。他此时还是认为像去年底一样，英国人来一通炮轰之后，无兵力占据广州。
48小时后，也就是2天又过，叶名琛不见英法舰队任何行动，深以为然，认为自己对形势的判断正确无比。
12月27日，叶名琛上奏7000多字予咸丰帝：英夷现已求和，计日准可通商...乘此罪恶盈贯之际，适遇技穷力竭之余...一律斩断葛藤，以为一劳永逸之举。在夸夸其谈之中，隐藏着叶名琛意欲用这种方法让咸丰同意他与英国人谈判。
一旦与英国人开始谈判，叶名琛将开始一次外交拉锯战，要从后勤上拖的英法先暂时退兵。
把节节失利的战事说成英人无计可施，只为通商求和，这满足了咸丰皇帝美好的幻想，面子上十分好看。就在两广总督叶名琛的隐瞒下，咸丰帝信以为真，下谕：叶名琛既窥破底蕴，该夷伎俩已穷，俟续有照会，大局即可粗定。务将进城、赔货及更换条约各节，斩断葛藤，以为一劳永逸之举。
应该说，叶名琛这次的奏章是达到了自己的目的，咸丰皇帝的指示中也是同意了叶名琛与英国人谈判，只不过是认为可以利于自己一方的谈判。
但是英法联军并不懂清朝政治的弯弯绕，派出这么大规模军队，每天的消耗都是巨大的支出，所以，在咸丰皇帝同意谈判的旨意还没到达广州的时候，他们动手了。
12月28日清晨时分，英法联军开始进攻。一支5500多人联军部队连同20艘军舰迅速登陆逼近城下。
清廷花费巨资建设的海珠炮台因为叶名琛等人的“不战”政策，被英法联军轻易攻占。
联军占据海珠炮台，在海珠炮台架设了自己的火炮，利用地形优势，直接炮击两广总督府衙。
联军使用开花弹进行炮击，还有康格里夫火箭进行发射，广州城陷入了战火之中。总督府岌岌可危，叶名琛于是躲到了粤华书院。
由于叶名琛在战与不战的策略上的反复，“丰南号”提供的火炮和燧发枪起到的作用并不明显，因为新武器没有训练，直接操作，是很难发挥实际作用的，对守城的清军来说，虽然提升了火力水平，但是还是挡不住在战场上厮杀多年的英法联军。
都统来存、千总邓安邦率广东绿营千人殊死战斗，杀伤了不少英法联军，但是由于清军大部分战斗意志不强，防守战后继无力，只能退却。
12月29日上午，英法联军攻上了广州城楼，城内炮台及观音山顶都被英法联军插上了攻占的红旗。
叶名琛知道广州城陷，于是派出手下持令箭下令，向广州各界悬赏搏杀洋人，并调潮州团练攻观音山，但两军战斗力悬殊，哪里还能翻盘。
此时，见大势已去，广东巡抚柏贵和洋行的商人伍崇曜等建议议和，去劝说叶名琛，但此时的叶名琛依然不愿意议和，还在期望利用民心反击英法联军。
见说不通叶名琛，第二天早上，广州将军穆克德讷竖白旗西北城上表示投降，开了广州城西门，让城内居民逃跑。
英法联军进入广州城之后，派出士兵看守城门，组织巡逻队进行巡逻。
然后贴出告示，禁止士兵烧杀抢掠。英国人还在公告中称这次攻打广州城，要归责于叶名琛，叶名琛不愿意谈判所导致。英法联军入城后不会骚扰商户和居民，谈判、军事都与商民无关，大家安心生活。
稍后，广州将军穆克德讷和广东巡抚柏贵会同署名贴出安民告示，称和洋人和议可定，城内士民毋惊恐，大家安心生活，商户正常营业。
见英国人到处搜捕叶名琛，叶名琛的家丁便将叶名琛转移到左都统衙门。
英法联军将两广总督府中财物一掠而空，并将广东布政司库银二十万两全部取走。
然后又将南海县大狱里的囚犯释放，作为向导分到各小队，帮助搜捕叶名琛。
这边搜查叶名琛未果，英法联军将已被软禁的广州将军穆克德讷和广东巡抚柏贵带到观音山议事，要在广州建立临时的管理机构。
英法联军建立了“联军委员会”，对广州进行占领并实施殖民统治。这个委员会设在广东巡抚衙门里，由英国领事巴夏礼、英军上校哈罗威和法军大佐修莱掌控。他们扶植广东巡抚柏贵为傀儡，通过柏贵执行他们的意志。
身在巡抚衙门，柏贵没有任何自由可言。衙门内外，均有英法士兵把守，柏贵能见谁、不能见谁，自己没有决定权。他所发布的告示文件，须由巴夏礼等批准，咸丰皇帝谕旨也被巴夏礼等截取。实际上，以柏贵为首的广东巡抚衙门成为中国近代史上第一个地方傀儡政权。
1858年1月5日，占领广州数天后，联军继续逐一搜查各个衙门。叶名琛尚在左副都统署的第五院，当联军还搜查第一院时，家丁劝叶名琛逃亡，叶名琛不肯逃。
等联军搜到第五院，发现了叶名琛，叶名琛已经做好被抓的准备，已经整整齐齐的将官服和顶戴花翎穿戴好。
真抓到了叶名琛，英国人发现其实这是个烫手山芋，叶名琛又不投降，又不能处死，放在广州又怕人劫狱，考虑到香港和新加坡也华人众多，干脆将其关押到印度加尔各答去。
于是，叶名琛被带上舢板，送上了英军的蒸汽轮船，先将其运到了香港。