17日凌晨一點左右，驕橫的聯軍艦隊再次派出俄國的代表向羅榮光遞交了最後通牒，同時“阿爾及利亞人”號炮艦靜悄悄的向著白河口駛來，嘗試進行新一輪的試探和偵查，羅榮光嚴詞拒絕交出炮臺後，聯軍代表罵罵咧咧的走了。

談判代表剛走不久，來人向羅榮光報告說有洋人的軍艦在靠近白河口，羅榮光氣不打一處來，向著“阿爾及利亞人”號軍艦打出訊號，讓其停止前進。阿爾及利亞號的艦長笑著對他的大副說道：“哦，上帝呀，這些可憐的中國人還想向我們發號施令，也許我們該給他們一些教訓嚐嚐”大副也附和道：“他們這些黃皮猴子知道什麼叫做戰爭嗎，我們就該用炮彈教會他們服從。”於是阿爾及利亞號的炮兵們，紛紛行動起來，向著炮臺方向打響了第一炮。

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羅榮光見到洋人不但不停警告，竟然還向著炮臺開炮，怒火中燒，命令炮臺開炮還擊，但是鑑於只有一艘軍艦開炮，還擊的力度也很有限，只有幾門大炮開火，炮彈呼嘯著落來阿爾及利亞號周圍。

俄軍“海狸”號炮艦首先以燈光發出警告，英軍“阿爾及利亞人”、俄軍的“吉蘭人”和“高麗人”隨即以燈語訊號回應，各艦立刻向炮臺開火。停泊於上游海關附近河面上的法軍炮艦“獅子”和德軍炮艦“伊爾提斯”立即開始順流而下，試圖與上述4艘炮艦匯合。

羅榮光命人提前測繪了敵艦位置，但是幸虧有王二傻提醒，進行了二次測試，這次全面反擊的效果非常不錯，至少是比歷史上的那次反擊效果要好。歷史上反擊開始後第一波炮火只是擊中了一艘敵艦朝鮮人號，這一波的炮火反擊確實經過再次重新測定瞄準的是正確的敵艦位置，有三艘戰艦被擊中，一時之間打得聯軍艦隊有些手足無措，連開火都慢了一拍。而炮臺因為第一波開火就取得了戰果，士氣大振。而洋人的軍艦受到炮火攻擊，見到有艦艇被擊中閃爍著火光，都被嚇到了，畢竟來到上游的都是一些較小的軍艦，防護力不夠，只是炮臺的主厲害的大炮也都是用來防備海上方向的，開炮的也多是一些老舊的小炮，雖然擊中了敵艦也只是擊傷被沒有帶來毀滅性打擊。

聯軍炮艦總計擁有約75門各型火炮和機槍，其中有40門是小口徑機關炮或者機關槍，口徑在7厘米以上的火炮有35門，而在這些7厘米以上火炮中只有16門是現代化的速射炮，由於聯軍的炮艦此時位於兩岸炮臺的上游，這就使得炮臺大部分佈置於暗炮臺的火炮失去了作用。因為那些暗炮臺內的火炮大多指向海面。但即便如此，能夠轉向內河射擊的岸防炮也不可小覷，大沽要塞有67門火炮能夠瞄準內河方向射擊，其中包括4門口徑超過20厘米的重型岸炮以及16門現代化的100毫米以上速射火炮，另外還有7門半新不舊的克式150毫米架退炮、18門克式野戰炮以及22門舊式前膛炮、臼炮。

剛開始的炮戰雙方都打得有來有往，誰也壓制不了誰，從1點到3點，炮臺與炮艦之間的對射一直在進行，互相誰也不能完全壓制對方。由於缺乏口徑100毫米以上的大中口徑速射炮，聯軍的炮艦很難直接摧毀炮臺上的炮位。而另一邊，由於清軍炮兵沒有掌握炮表，所以炮手主要根據炮彈落點的遠近逐步調整火炮的俯仰，“止就炮口之低昂，以論落子之遠近， 止窺炮上之兩星，以定直線之準” ，想要取得命中自然也十分困難。

在沿岸各炮臺群中，對於聯軍炮艦威脅最大的即為大沽要塞位於西北方向的石頭縫炮臺。此處炮臺建設於北岸入海口炮臺的西北方，掩護著內河方向。這是一座有內外兩層營牆的堡壘，內側營牆頂部的四角各有1門中口徑速射炮，其中1門是英式6英寸40倍徑速射炮，其餘3門是克虜伯公司生產的120毫米35倍徑速射炮。另外，此處堡壘還配備了7門舊型號的克式150毫米炮以及11門舊式前膛炮。

德國海軍“伊爾提斯”號炮艦首先嚐到了德制120毫米速射炮的威力，該艦接連被炮臺發射的炮彈擊中，包括艦長在內的10多人死傷。一時之間德國艦上的人慌亂起來，有水手著急之間還跳進了河裡。因為被擊中著火，目標顯眼又招致了更多的炮彈打擊，失去指揮的軍艦，開始原地打轉，眼瞅著失去了戰鬥力。一起行動的法軍炮艦“獅子”的武備包括4門老式架退炮炮火不猛，招致的攻擊也就少了一些，被命中3彈，見到伊爾提斯號損壞嚴重，自己火力又不強，只能倉皇而逃，向著“阿爾及利亞人”炮艦方向撤退。

同樣停泊於上游的美軍炮艦“莫諾卡西”也遭遇到炮火攻擊，一枚6英寸的榴彈擊穿了該艦尾部但沒有爆炸。在河道第二個拐角的西南方，駐紮於萬年橋地區的前營部隊接到訊息後趕到河岸，在大約100名民夫的協助下架設了火炮，這個營沒有配備大中口徑岸炮，只有一些輕型火炮和輕武器，再加上清軍的射擊技術不高，並沒有對“莫諾卡西”和“愛宕”造成什麼威脅。

第一輪交手，聯軍艦隊損失了一艘駛入內河的主力戰艦，兩艘中彈，嚇到了聯軍艦隊，聯軍艦隊透過不斷的遊弋，走位開火還擊，但是給炮臺造成的損失有限。聯軍艦隊匯合之後，久不見伊爾提斯號趕來匯合，知道德國人軍艦凶多吉少了，幾艘主力艦行駛到內河的拐彎處，是兩岸很多火炮的死角，開始瘋狂炮擊西北炮臺，西北炮臺群被打的損失慘重，炮臺的還擊逐漸弱了下來。

凌晨3時左右，俄軍“吉蘭人”號內河炮艦冒險開啟了船上探照燈試圖確定炮臺位置，觀測戰果，此舉很快招來了炮臺的瘋狂打擊。炮臺發射的1枚炮彈鑽入了“吉蘭人”的一座彈藥庫爆炸，引發彈藥殉爆，劇烈的爆炸掀翻了彈藥庫之上的甲板並且導致了嚴重的火災，造成超過40人傷亡。同時，與“吉蘭人”相鄰的俄軍“高麗人”號炮艦亦遭受重擊，一枚榴彈擊中了彈藥庫上方的餐廳並引發火災，艦長連忙下令向彈藥庫注水。但是趁你病要你命是大家都明白的道理，炮臺守軍瘋狂的將炮彈灑向這兩艘戰艦，又有幾枚炮彈擊中這兩艘軍艦，吉蘭人號被當場擊沉，高麗人號也擱淺在淺灘。

這個時候已經有3艘軍艦被擊毀，還都是主力艦艇，聯軍艦隊意見產生分歧，法國美國軍艦執意要撤退，英國和俄國的艦隊執意要掩護陸戰隊攻擊。爭執不下之下，兩方分道揚鑣。為了支援陸戰隊行動，英軍炮艦“阿爾及利亞人”和俄國唯一剩下的炮艦“海狸號”駛近石頭縫炮臺，集中火力攻擊石頭縫炮臺，掩護陸戰隊接下來的攻擊。同時留下來的還有日本人的愛宕號，主要為了接應陸戰隊士兵上船。