明初，永乐皇帝朱棣迁都北京后，大沽海口的战略他位日渐凸显，这里是从海上进京的唯一门户，一旦失守，首都就将毫无遮拦地暴露在外人眼前。嘉靖年间，为御倭寇，大沽口海防战备日紧，构筑堡垒，驻军设防。
1816年8月13日，以英国前驻印度总督阿美士德为首的外交使团抵达天津，后因礼仪之争未见到嘉庆皇帝并很快离去。由于阿美士德登陆大沽，使嘉庆皇帝清醒地意识到这一地区“拱卫神京”“直达外洋”的战略地位，在阿美士德抵津后10天便发布上谕，要求“复设水师营汛，以重巡防”。根据这一谕旨,1817年4月,清政府开始在大沽口南北两岸各建炮台一座，炮台内用木料，外砌青砖，白灰灌浆，这是大沽口最早的炮台。其中,南炮台高1丈5尺、宽9尺、进深6尺，北炮台规模稍小。同时,设水师一营,后又添设水师总兵一员，管辖新设水师营兵丁1000名。
1840年8月，8艘英国军舰北上大沽口，代表英国政府向清廷官员递交了《帕默斯顿(时任英国外相)致中国皇帝钦命宰相书》，攻击中国的禁烟运动，无理要求中国割地赔款。直隶总督琦善被道光皇帝派往大沽，与英国侵略者谈判。琦善表示,道光皇帝打算派人调查林则徐禁烟之事,并“重治其罪”,希望英国人随即南返。9月15日,英国舰队离开大沽口南下。
1841年,即道光二十一年,大沽口又增建炮台三座,其中南岸两座、北岸一座,同时修复加固了旧炮台。至此,大沽口炮台总数达到5座,分别以“威”“震”“海”“门”“高”五字命名,寓意炮台威风凛凛镇守在大海门户的高处。同时,在南岸大炮台空处,筑有土炮台12座。经过这次重建,大沽口炮台成为当时中国北方最强大的海防要塞。两岸共驻军1600人，并配备300余门大炮。由于时任两广总督叶名琛谎报军情，英法联军已过上海咸丰帝方才得知，随即急忙下令加强大沽口守备，将驻军增至6000多人。所幸在联军赶来之前完成了部署。
英、法、美等国舰船陆续驶抵大沽口外，共有战舰约26艘，兵力2600余人。1858年5月20日上午10时，联军对清政府发出最后通牒限定2小时内交出大沽口被拒绝，两小时后，英法联军舰队闯进大沽口，同时向南北两岸炮台实施炮击，并派出适宜在浅海作战的炮艇和舢板向陆地输送登陆部队。由于战前咸丰帝有令在先:“不得先行开炮”，因此，直到英法联军开炮轰击以后，南北各炮台才先后开始抵御。
由于联军舰队多在清军火炮的射程之外，各炮台皆损失惨重。不久，口外的联军旗舰“斯莱尼”号及其主力舰只的大口径火炮猛烈轰击南北炮台，致使炮台顶盖、炮墙被轰毁，有的大炮被炸毁，守兵伤亡惨重。与此同时，联军在外海的战舰悉数开炮，予以火力掩护。而总督谭廷襄、署天津镇总兵达年等负责指挥战争的文武官员，“闻炮声，心胆先怯”，率先奔逃，致使士气受挫。清军南北防御陆续被攻陷，各炮台遂相继失守。至12时左右，清军全线溃败。5月26日，英法联军未遭遇抵抗就兵临天津城下。
大沽炮台曾在第一次大沽保卫战中失守，《天津条约》订立后，英法军队从天津撤走。受命筹备防务的僧格林沁立即整顿军队，添设大沽海口水师，并在第一次大沽之战被毁的炮台、营盘的废墟上新建防御设施。南北两岸各建炮台3座，共安火炮60门，其中12000斤大钢炮2门，万斤大钢炮9门，5000斤钢炮2门，西洋铁炮23门。所有炮台周围均坚筑堤墙，堤墙之外开挖壕沟，竖立木桩。又在海口设置三道拦河铁链，配置铁戗，安设木栅，连成巨筏，并加强了伪装。为加强翼侧的防御，在北塘地区整修了炮台，火炮增至24门，对北塘以北的营城亦设兵防守。在天津以东30余里的双港附近新建炮台13座，安设1200斤以下大小钢铁炮各81门，大大加强了纵深防御。
1859年6月17日，英、法联军舰队在侵华英军海军司令贺布少将率领下到达大沽口外后，立即进行武装挑衅活动。18日下午，英舰8艘，乘风潮之势直入白河内，加紧进行战争准备。6月25日黎明，英、法侵略军向大沽发起攻击。贺布亲率联军舰艇12艘（英国浅水蒸汽炮舰11艘，法国浅水蒸汽炮舰1艘），从拦江沙向海口开进。在此过程中，守卫大沽炮台的中国官兵全部进行了隐蔽和伪装，炮台上偃旗息鼓，一位参战的英国士兵曾这样回忆到：“所有炮台象怪物似地沉睡在沙岸上，听不到它们的一点声音，也看不到什么旗帜”。
贺布立命令舰队炮击两岸炮台。忽然，所有本来掩护着炮台大炮的草席都卷了起来，顷刻之间全部大炮一齐开火”，守卫炮台的清军将士开始猛烈射击，利用敌舰受阻于水中障碍的有利时机，充分发扬火力，不久多艘联军军舰被击伤，贺布本人也负了伤。到下午4时，包括旗舰在内的4艘联军军舰被击沉，其余参战的军舰也全部被击伤。联军见势不妙，遂竖起白旗诈降，一旁的美国舰队司令达底那海军准将也急忙率舰队支援英法联军，经调整部署后，继续向炮台攻击。
下午5时，身负重伤的贺布下达登陆命令。英、法海军陆战队千余人，利用舰炮火力作掩护，向海口南岸强行登陆，企图首先夺取南岸3座炮台。侵略军遭到炮台炮火杀伤，同时遭到守军和由新河前来增援的满蒙骑兵的阻击。夜里，英、法联军又继续进攻，清军在火弹照明下，英勇抗击，又给敌以重大杀伤。激战一昼夜，联军遭到彻底失败，残部一直溃逃到杭州湾。此次战役，是自第一次鸦片战争以来，中国军队所取得的最大的一次胜利。