1856年，英、法聯軍侵略中國，爆發了第二次鴉片戰爭。咸豐帝面對外來侵略，時而主戰，時而主和，進退失據，狼狽不堪。在民族矛盾上升的情況下，僧格林沁一度力主反對外來侵略，是從清王朝內部分化出來的抵抗派。
1858年5月，英法聯軍攻佔大沽，進逼天津，清廷命大學士桂良、史部尚書花沙納赴津查辦，這時清政府中不少達官顯貴均主張“安內而後攘外”，在一片議撫聲中，僧格林沁於6月毅然寫了一篇主戰奏疏《奏為華夷通好敗害無窮事》。
在奏疏中，他慷慨陳詞，指出逆夷之所以能“長驅直入”、“勢如破竹”是因中國武事失修，再加近幾年來的封疆大吏等大多庸懦之輩，“一聞賊至，則觳觫恐懼，抱本妄奏，求請和議，無非欲全身家，保妻子，誰復以社稷為重，生靈為重”，因此逆夷“敢任意驕橫，肆行無忌”。他力陳和議條款之危害，並請兵出戰，乘其（侵略者）驕而擊之”，“至於勝敗，兵家常事，勝不足以喜，敗不足以懼，人心非不可奮興，天命非不可挽回也，何至以堂堂上國，俯首乞和於外夷哉？”主戰立場，十分明確。
由於僧格林沁是親王且堅決主戰，便成了“主戰派的一個領袖”，引起了外國公使的注意，英國公使普魯士就聲稱“僧格林沁是和平的障礙，非到他被趕出舞臺，滿意的解決是不可能的”，“在這位蒙古親王的主持下，主戰派的希望都寄託在他身上”，可見，以僧格林沁為代表，在當時清政府內部形成了一股主戰勢力，他力排清廷對外一味求和的做法，從清廷那裡爭得了整頓海防，保衛大沽的權力。據記載，他自1858年“奉旨辦理海防以來，晝夜辛勤，殫誠竭慮”。1859年初，又“親至海口駐紮，與士卒誓同甘苦，風雨無間”，為大沽海防建設作出了貢獻。
他對大沽口的防務進行了周密佈置：在大沽除重建了四個炮臺外，又增設二個炮臺，六臺都安設各種火炮；恢復了直隸海口水師，增兵防守大沽海口；嚴格挑選士兵，親自督率訓練，提高畫質軍戰鬥力；在海岸築壘、挖壕，在海口設定三道攔河欄障；做好防務保密工作，以便出其不意地消滅來犯的敵艦。
1859年6月25日，在英法兵艦“皆豎紅旗，立意啟釁用武”之時，僧格林沁仍復“隱忍靜伺，以恣該夷之驕，而蓄我軍之怒”，命令炮兵不要先行開炮，待敵艦先行向炮臺轟擊後，他“揮鞭上馬，督軍鏖戰，戒炮臺同時開炮”，“以冀上申國威，下抒民望”。在僧格沁的指揮下，廣大官兵奮勇戰鬥，各營大小炮位環轟疊擊”，集中炮擊英國艦隊司令部及最鄰近的船隻，僅幾分鐘，帶路的“負鼠”號被擊中，死傷多人，緊跟其後的“鴇鳥”號也被命中，艦長拉桑上尉和第一兵團的凱南上尉等多人被打死，英國艦隊司令賀布也受重傷，迫使他只好改乘一艘運輸汽艇“鸕鷀”號指揮戰鬥，清軍炮火馬上又集中在這艘有旗艦標幟的汽艇上。
由於剛交鋒，清軍炮火就命中敵艦的指揮中心，打亂了敵人的陣腳，在清軍炮火的猛烈轟擊下，打得敵艦“有直沉水底者，有桅杆傾側，不能移動者，僅有火輪船一隻駛出攔江沙外，餘皆受傷不能撐駕”。
狡猾的敵人並不甘心自已的失敗，他們企圖哄騙岸上炮臺停止炮擊，而命陸戰隊千餘人分乘小舢船二十餘隻在南炮臺河岸強行登陸。僧格林沁發現這一情況後，立即調集火器營等的抬槍和鳥槍隊前往攻擊，北岸炮臺也發炮支援，聯軍登陸部隊死傷枕藉，只好退藏蘆葦地內，又乘夜“伏地搶進”，清軍施放火彈，殺傷聯軍。聯軍“術窮力盡，不敢戀戰，向船逃竄”。經過一晝夜的激戰，共擊斃、擊傷英兵四百六十四人，法兵十四人，英國軍官死五人，傷二十三人，活捉英、法兵各一人，繳獲舢板船三隻、洋槍四十一枝以及其他許多軍用物資。清軍在這次作戰中僅陣亡三十二人，大沽炮臺只遭到輕度破壞，海口一切防禦沒有損失。連侵略分子也不得不承認，“這確是一次可怕的慘敗”，“這是英國人自撤出喀布林後在亞洲所遭到的最嚴重的失敗”。
1859年6月大沽保衛戰的勝利，固然主要歸功於廣大中國官兵的英勇奮戰，但與主帥僧格林沁戰前積極備戰，戰鬥中親臨督陣，指揮有方分不開的。他直接指揮了這一戰役，鼓舞了士氣，起到了一個稱職主帥的作用，是一個有功之臣，功不可沒。
