中華軍的聯合艦隊無法進入海河裡追擊，只好把目標都放在被堵在河道以外的戰船上，結果這批戰船大多都選擇了投降，只有少數幾條船誓死抵抗，但在一頓猛烈的炮擊之後，都被打得支離破碎，進水下沉，同時也震懾了其他投降的戰船，都不敢反抗。
中華軍的艦隊就這樣佔領了清廷的水軍基地。隨後進攻水軍基地的戰船立刻分為兩部份，一部份接收清軍的投降，接管戰船，收隴俘虜，而另一部份則從海河的入海口方向，從側面向大沽口北面的炮臺發動進攻。
就在中華軍的艦隊進攻清廷的水軍基地時候，成鋼也率領著艦隊的另一部份，進攻大沽口北面的炮臺。這一部份艦隊一共有戰船七十八艘，成鋼還是向進攻南岸炮臺一樣，首先派出四十艘戰船，為第一批進攻的船隊。
大沽口北岸的炮臺實力與南岸相差無幾，但這時雙方的心態卻發生了極大的變化，聯合艦隊是乘勝進擊，士氣高漲，而炮臺清兵己經目睹了南岸炮臺失守，心氣大跌，因此尚未開戰，在氣勢上就己經先輸了一頭。而且對中華軍進攻的抵抗力，也遠不及南岸炮臺那麼強捍兇猛。第一批進攻的戰船並沒有費多大力氣，就推進到了自己的射程以內，各艦的火炮立刻一起開動，向炮臺發動猛烈的進攻。
一但戰艦進入自己的射程之後，炮臺上的火力就明顯不敵，而偏偏就在這時，另一路艦隊己經佔領了水軍基地，並且從炮臺的側後方發動了攻擊。
大沽口的炮臺設計，都是呈半圓形，臨海的一側築有高臺，而身後，以及靠水軍基地的一側卻是完全敞開不設防的。畢竟在身後和側後，都是屬於自己的地方，不用擔心敵人會從這裡發動進攻。但卻完全沒有考慮到，一但水軍基地失守，炮臺的側後方就是門戶大開。而現在北岸的炮臺面臨的就是這樣的局面。
本來這時北岸炮臺就己經處於劣勢，側後方又遭到中華軍的攻佔，更是雪上加霜。而且這時基地裡的艦隊都己經撤退了，自己還死守著炮臺幹什麼，因此炮臺的守軍也立刻放棄了炮臺，向天津衛的方向退去。而成鋼乘機派出登陸部隊，佔領了北岸炮臺。
致止整個戰鬥己經進行了六個多小時，這一次中華軍聯合艦隊出擊的戰鬥目標已經全部實現，一共擊沉了清軍各種戰船近六十艘，俘虜的戰船多達二十三艘，其中還有一艘是荷蘭造的西式帆船。擊斃清軍約有三千餘人，俘虜清軍一千三百多人，造船工匠七百餘人，還有二十一名荷蘭人，十二個造船工匠，九名訓練軍官。另外還佔領了大沽口的南北兩個炮臺，就水軍基地也落入自己手裡。儘管逃脫了一部份清軍的戰船，但水軍基地裡的物資，以及北岸炮臺上剩餘的火炮都被聯合艦隊所得，也可以說是取得了全面的勝利。
而聯合艦隊自身的傷亡是，伏波軍被擊沉戰船三艘，為一艘巡洋艦，二艘護衛艦，受傷戰船五艘，為二艘巡洋艦，二艘驅逐艦，一艘護衛艦，人員戰死九十七人，受傷一百一十七人。鄭成功的艦隊被擊沉戰船三艘，受傷戰船四艘，人員戰死一百三十三人，受傷一百五十二人。
當天聯合艦隊就在清廷的水軍基地裡休息。而就在第二天，天津衛的清軍聞迅之後，派遣了兩萬人馬，趕來複奪炮臺和基地。但在中華軍水陸兩路夾擊之下，清軍被打得大敗，人馬死傷二千餘人，又退回了天津衛，只得嚴守天津衛，然後向北京救援。
中華軍一面抵擋淸軍的反應人馬，一面也在加緊搬運清軍遺留下來的物資，俘虜的一千三百多名清軍，也成為最好的勞動力。
最後中華軍在基地和炮臺裡一共蒐羅出來了火藥五萬餘斤，糧食三千餘石，生鐵一萬五千多斤，各種火炮六十七門。火槍七百五十三支。戰馬、騾驢等牲口兩百多頭，另外還有大量的造船用的木料、繩索、膠水、帆布、漆、油等等。而成鋼也下令，把能帶走的全部帶走，如果實在是帶不走的，就集中起來，準備在撤離的時候全部銷燬。
三天以後，中華軍聯合艦隊帶著所有的俘虜和戰利品，從大沽口揚帆出發，返回登州，而在臨行之前，用炮臺火藥將大沽口北岸的炮臺給炸燬，然後又放了一把大火，水軍基地全部燒燬。
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