中日甲午戰爭後，帝國主義列強掀起了瓜分中國的無恥行徑。當時清帝國腐朽懦弱，為了挽救民族命運，全國各地多地義旗高舉，展開抗爭，這其中最為轟轟烈烈的當屬義和團運動。
鑑於義和團運動對外部勢力造成的衝擊，為了鎮壓義和團，1900年4月6日英、法、德、美等國公使聯合照會清政府，限令清廷短期內將義和團剿滅。到了5月，義和團非但沒被剿滅，反而聲勢大增，其大隊人馬開始進入京津兩地。
這令各國公使更為恐慌，不斷籌劃圍剿事宜，並開始以保護領事館和僑民為由請求其國內派兵入京。面對列強假借鎮壓義和團而兵發京師的陰謀，當時已60多歲的提督聶士成有著比較清醒的認識，對此，他曾多次提醒過榮祿，請其做足準備，以防聯軍趁機逼宮。
從後續事態的發展來看，聶士成的擔心並不是多餘的。6月16日，聯軍不宣而戰，隨後派兵佔領了大沽炮臺，並對京津虎視眈眈。
為了應對強敵，聶士成即赴天津指揮戰鬥，第二日凌晨，西摩爾聯軍沿北運河向天津進發，妄圖拿下天津。此時運河兩岸的聶部，步、馬、炮兵種已全部到位，軍隊士氣高漲，開始奮力截擊，一戰即造成西摩爾聯軍傷亡300多人。
至25日凌晨，清軍援兵趕到天津，而聯軍殘部已逃入租界之內，清軍繼而展開了圍攻租界的戰鬥，並在東局子、海光寺、陳家溝一線，奮勇抗擊敵軍。
聶士成部的頑強抵抗造成聯軍很大傷亡，同時也沉重的打擊了聯軍的囂張氣焰。在聯軍看來，清兵雖然眾多，但是都是一些沒有戰鬥力的隊伍，唯一值得懼怕的只有聶士誠的軍隊。
6月28日，隨著援軍相繼抵達天津投入戰鬥，聶士成率部轉移陣地，奉命負責防禦南門、海光寺和八里臺一線。此時，經過數戰的聶部雖然也有較大傷亡，但是聶士成仍然鬥志昂揚，每戰必身先士卒。
7月5日，聶士成指揮隊伍在海光寺南路修築炮臺，用重炮三面猛攻租界，日、英、法聯軍也利用炮火還擊，但仍無法壓住清軍炮火，不得已逃進跑馬場內躲避。聶士成不敢鬆懈，他乘勝追擊，派敢死隊百餘人乘船渡河突襲跑馬場，大敗敵軍。
7月7日，在清軍久攻不下之際情勢發生逆轉，隨著聯軍援軍13,000人進入租界，並在小營門架炮向北岸與城內開炮，清軍開始難以支撐。即使這樣，聶士成依然毫無畏懼，再一次親率士兵夜襲小營門，經過激戰，聶部最終佔領了小營門。
7月9日，租界內的侵略軍分數路出擊圍攻聶部，造成清軍慘重傷亡，聶士成雖已身中數彈，卻仍率部勇猛衝鋒。此時聯軍開始用大炮轟擊衝鋒的部隊，清軍毫無準備，無處躲避，最後全軍竟無一生還，而聶士成也身中炮火，犧牲時已腹裂腸出，十分悲壯。
聶士成的犧牲不但使清軍失去了一位得力戰將，也使守城的清軍餘部士氣受挫，5天后，清軍難以再戰，天津陷落敵手。
1902年，直隸總督袁世凱接收了天津，當他了解到聶士成壯烈犧牲的經過後，大受感染，當即上奏朝廷為其請功，並對聶士成給予極高評價，稱“武臣中實惟一人”。
1902年3月，聶士成被清廷追贈太子太保，諡號忠節公，並在天津為其建立祠堂供後人瞻仰，又將南開和天津大學附近的八里臺橋改名為“聶公橋”，以紀念其犧牲之地。
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