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1868年12月16日，魏宣武亲率各师抵达通州，秦汉的先锋部队早已在清军通州大营十里外挖壕筑起营垒。魏宣武命各师、旅在秦汉第三野战师附近挖壕扎下营垒，三日后召开各师首脑会议，杨权、秦汉、马聚奎、洪全福、吴如孝、傅忠信、黄呈忠、杨泗洪、上官相、叶子笑、任柱（骑兵旅帅）、辛向文（炮兵总教习）均参加会议。经过半日议论，鉴于太平军已普遍使用后装线膛枪、炮，可以不必采用站姿或跪姿射击，可以伏地开火，也可以掘壕掩护身体射击，魏宣武决定采纳马聚奎的办法，从营垒前挖浅壕逐渐逼近清军通州张家湾大营，然后在步枪射程内横向挖壕与清军通州大营平行，最后士兵伏于壕中，起身射击，射完又伏壕中，掩护士兵继续向清营掘进。又采纳辛向文意见集中五个独立炮兵旅及四个野战师2019门各类大小火炮设于步兵横壕后轰击清军大营。任柱的骑兵旅布于阵地右翼，各师部队所属骑兵战士人由马聚奎统领集中于阵地左翼。
1868年12月21日，太平军按魏宣武的部署向清军发起攻击，在太平军2019门各类大小火炮集中轰击下，清军面朝太平军的营外花篱、土墙、碉楼全被击毁，营内清兵无处藏身，被炮弹成片炸死，营外太平军则迅速四处掘壕，一日一夜就围绕清军张家湾通州大营筑壕一圈，第二日又掘壕挺进，挖通清军外壕后，就运土石填清军外壕，逐渐填平壕沟到人可探身射击、攀爬。清军中战斗力最强的是淮军和通州大营驻军，所有清军均未见过此等战法，见太平军轰击，也用大小洋炮、劈山炮还击，又用洋枪与太平军对射。奈何洋炮都是前装滑膛炮，装填慢，有效射程短，打得也不准，各军火炮各自为战，炮火较为分散。双方炮击不到一个时辰，清军火炮大部分被摧毁，太平军火炮前移，对清军开启炮火洗地模式。清军大量装备英国前装线膛尼米枪和燧发枪，只能采用站立和下跪的方式装弹射击，把身体暴露在太平军火炮和步枪射击之下，太平军的步兵躲在壕沟中从容瞄准射击，就像平时打固定靶一样，还数着八环九环的。
奕欣与刘铭传冒着太平军炮火，在遍地尸体中督战，刘铭传觉得清军已成了被屠杀的一方，毫无还手之力，就与奕欣相商，组织清军分三路杀出，与太平军拉近距离肉搏。于是，刘铭传带记名提督吴长庆，记名总兵解先亮、宋先聘，参将左宝贵，副将滕嗣林等全部淮军在中路，直隶按察使张树声，记名提督周盛波，记名总兵叶志超、卫汝贵带地主团练兵在左路，掌印总统大臣额图带两位参领巴布、魁伦领通州大营驻兵在右路，记名总兵丁汝昌率骑兵各路援应，奕欣带署天津镇总兵郑国魁、泰宁镇总兵铭安、署正定镇总兵潘万才所部兵、察哈尔都统杜嘎尔所带一万察哈尔马队在后为后路压阵并相机出击。一时，清军在各官催逼下蜂拥杀出营垒来，太平军并不出壕冲击，只是利用火器大量杀伤收割清兵性命。丁汝昌指挥骑兵冲突中被炮弹弹片击中左颊，血流满面，又被步枪击中战马，摔倒于地上。吴长庆、解先亮、宋先聘均被炮弹炸死，左宝贵，滕嗣林跟着刘铭传冲到太平军壕沟前，被太平军短枪击倒俘虏，独余刘铭传一人，见大势已去，脱帽坐地被俘。直隶按察使张树声，记名提督周盛波，记名总兵叶志超、卫汝贵带地主团练兵在左路，战斗力本不强，不少人还没从千炮齐发引起的震耳欲聋中清醒过来就稀里糊涂地跟着冲上去，又被步枪子弹挨个击倒。很快，周盛波、卫汝贵中弹倒下，叶志超见势不妙拔腿就跑，直隶按察使张树声正在喝止溃兵逃跑，一发炮弹在身旁爆炸，张树声被弹片击中太阳穴，倒地而亡。奕欣带着署天津镇总兵郑国魁、泰宁镇总兵铭安、署正定镇总兵潘万才所部兵前往救刘铭传，一路伤亡惨重 。察哈尔都统杜嘎尔所带一万察哈尔马幻想依靠马快迅速逼近太平军，展开屠杀，结果与八国联军宰杀僧格林沁马队一样，被先进枪炮打击得狼奔豕突，上天无路入地无门。掌印总统大臣额图带两位参领巴布、魁伦领通州大营驻兵在右路，避过了太平军炮火，却被太平军枪兵的精准射击打倒大半，巴布、魁伦均被击毙。奕欣带着署天津镇总兵郑国魁、泰宁镇总兵铭安、署正定镇总兵潘万才率残部逃回营垒，不防吴如孝已带兵从壕中占了大营，一通射击，郑国魁、铭安当场殒命。奕欣四处不得出，用手铳自杀殉国。潘万才混在死人堆里装死，方才逃到山东找沈葆桢。魏宣武见清军各路大败，忙命左右翼骑兵杀出，一直冲过清兵大营，趁虚袭了通州城 。慈安、慈禧忙带着同治在密云大营和步兵统领衙门部兵的保护下逃往热河。
通州一战，清军伤亡十余万人，被俘十五万人，只有少数逃脱，精锐尽失，太平军却只伤亡了二千一百二十三人，创造了一个大大的战争奇迹。1869年1月3日，魏宣武率兵进入京师。