整个吴淞口，由江南提督陈化成和徐州镇总兵王志元等率兵二千四百名驻守。

其中五百名由总兵周世荣率领驻守东炮台，其余则防守吴淞镇至宝山一线。

战前，牛鉴也率兵千余驻于宝山，以为后援；宝山知县则带乡勇二千在东炮台后面接应。

另在吴淞与上海间的东沟两岸添设了数十尊大炮，驻兵四五百名，防止英军进窥上海。

6月13、14两日，侵华英军陆海军司令率舰船六艘、运输船十二艘至吴淞口外进行临战侦察。

6月16日晨，英军开始向吴淞发起进攻。

针对清军设防情况，英军确定以“皋华丽”号等三艘重型军舰从正面进攻西炮台，以“摩底士底”号等四艘轻型军舰突入黄浦江，进攻吴淞镇炮台和东炮台，威胁清军的侧后，并掩护登陆部队于吴淞镇附近登陆。

当两艘重型英舰进入西炮台附近作战水域时，陈化成下令开炮。守军以猛烈的炮火阻击英舰，激烈的炮战进行了两个半小时，英旗舰“皋华丽”号及其它各舰被击中多次，死伤二十余人。

英国一军官后来追述说：“我方舰队自与中国军队作战以来，中国人的炮火以这次为最厉害。”

陈化成虽年已七旬，在近两年的战备中始终坚守职责，威望较高。在此次炮战中，他奋不顾身地亲自操炮轰击敌舰，与士卒一起战斗。

牛鉴三次派人持令箭要陈化成退避宝山，都遭拒绝，不得已从宝山率兵增援吴淞，但一见敌弹落于身旁，即返身后退，继而率兵西逃嘉定。王志元也跟着弃阵而逃。

当西炮台正面激烈炮战时，四艘轻型英舰驶入黄浦江，逼近吴淞镇南面的蕴藻浜，以猛烈炮火压制吴淞镇炮台的火力，掩护登陆兵占领了该炮台。

不久，吴淞镇清军实施反击，迫使英军退回堤岸。正当吴淞镇激战之际，西炮台正面被英军突破，大队英军随即登陆。

接着，从吴淞镇登陆之敌也从侧后袭击西炮台。陈化成在敌军前后夹击下，仍率兵百余名坚守炮台，最后全部阵亡。