面对英军的进攻，他断然蔑视琦善“不准开炮还击”的命令，指挥全体官兵坚守阵地，奋勇还击。同时派人飞书求援。但琦善对陈连升的告急文书，束之高阁，不理不问，拒发一兵一卒。在前有强敌，后无援师的不利情况下，他遵守关天培提出的“以守为攻，以逸待劳”的作战原则，率领军民日夜坚守沙角炮台。英军自恃人多势重，攻破了防守较弱的大角炮台后，又集中火力，攻击陈连升防守的沙角炮台。陈连升与其子陈举鹏率领600守兵英勇还击。敌人眼看正面攻不下来，就派出陆战队，从后山的穿鼻湾绕道突袭南面的阵地。陈连升立即组织反击，以地雷、木石、杠炮连续数次打退了用竹梯爬上来的敌兵，歼敌数百人。激战到傍晚，炮弹和火药用尽，英军趁清军火力减弱之际，偷偷烧毁了水师兵船，随后与后山包抄上来的英军会合。此时，沙角炮台已处在英军的包围之中，情势万分危急。但陈连升和将士们毫不畏怯，继续奋勇抵抗，英军从前后左右蜂拥而上。陈连升骑在马上，拔剑高呼：“壮士们，父老兄弟们，为国捐躯的时候到了，中国的土地决不能让夷人蹂躏。”官兵们在他的鼓励下齐声高呼：“愿与将军同生死，誓与炮台共存亡。”他们弯弓搭箭，一连射死数十名敌兵，敌人纷纷后退。箭用完后，敌人又发起进攻。陈连升抡起利剑大吼一声，数百名士兵向合围的敌人冲去，展开了一场肉搏战。敌人措手不及，被英勇的守兵们刀劈剑刺，死伤无数。后面的敌人纷纷使用洋枪，一时间枪弹像飞蝗一般向陈连升射来。陈连升中弹落马，鲜血染红了战袍。他圆睁虎目，强行挣扎爬起，使出全力，将利剑掷向敌人的胸口。
陈连升，“生持利剑呼砍贼，死守函关誓化泥”。终因寡不敌众，壮烈殉国，谱写了虎门保卫战的序曲。
沙角一战，英军损失惨重。他们占领炮台后，找到陈连升的尸体，一块一块地切割，发泄他们对勇士的愤慨，手段残忍，令人发指。
关天培闻听沙角炮台失守，陈连升父子以身殉国，禁不住老泪横流，悲怆万分。龙城失去飞将，胡马已临阴山。
大角和沙角炮台丢失，虎门的第一重门户被打开，敌人开始向关天培驻守的第二重门户进攻了。大角和沙角失陷后，琦善恶人先告状，他不说是由于自己一味投降不抵抗造成的，反诬告关天培轻启战端。昏庸的道光皇帝被英国侵略者吓破了胆，对琦善偏听偏信，竟然下令处分了关天培，责怪关天培平时统兵无方，临时又仓皇失措，故失炮台。下令革去关天培的顶带，令他戴罪立功，以观后效。
此时关天培的心情痛苦极了，一方面是大敌压境，虎门要塞危在旦夕，而自己所掌握的兵力只剩下几百人，怎么可能守住要塞呢？另一方面，皇帝偏听偏信，降罪于自己，而钦差大臣却一味主和，不思战守，自己无依无靠，无援可依，恐怕只有死路一条了。他心潮起伏，彻夜难眠。他不是怕死，而是怕自己辛辛苦苦经营6年之久的虎门要塞一旦被攻破，英国侵略者占据祖国南大门，便可以长驱直入了。
不，不能就这样失败！我要做最后的努力。想到这里，他连夜赶到钦差大人的府邸，再次苦求钦差大人派兵援守炮台。
夜已深了，琦善早已进入梦乡。突然，一个仆人走进卧室，将沉睡的琦善叫醒。只听仆人急声说道：
“大人，快醒醒，水师提督关大人有要事找您。”
只见琦善翻了翻身，挥挥手说：
“去，告诉关天培，有事等明天再说。本大人今晚不见。”
仆人走了，过了一会又回来，对琦善说：
“大人，关天培不肯走，今天晚上他一定要见您。”
琦善没有办法，只好穿衣起床，来到前厅会见关天培。看到关天培后，他阴阳怪气地问：
“不知深夜提督前来有何事相商？”
只见关天培老泪纵横，急切地对琦善说：
“钦差大人，虎门要塞危在旦夕，虎门失守，后果将不堪设想，望大人能给下官派些援兵，共守虎门。”
琦善满脸不悦，说道：
“我以为提督大人深更半夜来找我是什么事呢，原来是让我发兵啊，这怎么能行呢？我现在正在和英军谈判，如果派兵，他们会说我不守信用，没有诚意的。他们要发起怒来，我可担待不起。我们不能轻易出兵，否则皇帝要怪罪的。”
看着琦善一副卖国求荣的奴才相，关天培气愤极了，他愤怒地瞪了琦善一眼，头也不回地冲出了钦差大人的府邸。
关天培来到靖远炮台，手摸着自己心爱的大炮，泪水顺着脸颊淌着。看着奔腾汹涌的珠江，错落有致的炮台，他难过极了。用不了多久，这些将不再属于自己，自己恐怕也永远见不到了。他默默地回到府邸，将自己所有的衣物都收拾好。他想到自己白发苍苍的老母亲，温柔贤惠的妻子，没有长大成人的儿子，他们远在江苏老家，自己恐怕再也见不到他们一面了。自己没有什么能留给他们，他把自己珍藏多年的几枚掉下的牙齿拿了出来，放在手里看着，这是母亲给我的，我应把它还给母亲。他又拿出一把剪刀，将自己已经有些花白的头发剪下一缕，和牙齿一起，用一件旧衣服包好，放在匣子里，心里默默地叨咕着：
“妈妈，孩儿不孝，我要先您一步走了。”
第二天，他派人把装着牙齿和头发的匣子送回到江苏老家，并一再叮嘱他，送到老家后，不要让家人马上打开，让他们等待我的消息。他又派人将其衣物全部拿去卖掉，只留下一把跟随自己多年的战刀。他拿着换回的钱，把和他一起驻守炮台的士兵召集起来，心情沉重地说：
“兄弟们，多少年来，我们一直风雨同舟，患难与共，亲如兄弟。现在，生死攸关的时刻到了，望兄弟们能够同心同德，奋勇杀敌，誓死保卫我们的祖国，保卫我们的家园。”
士兵们热烈地鼓掌。关天培接着说：
“兄弟们，恕本官无能，使兄弟们遭此劫难，我无以报答。我是一个穷官，没有多少积蓄，我只有这点钱，分给大家，你们把它寄给你们的父母、妻子，给她们点儿安慰。拿着吧，兄弟们！”
望着眼前一张张年轻而又生龙活虎的脸，关天培再也说不下去了。士兵们眼含热泪，用颤抖的双手接过钱，他们都知道这意味着什么。他们毫不畏惧，决心与关大人共赴国难。
1841年1月8日，就在沙角、大角战斗结束的第二天，英军就发出进一步扩大战争的叫嚣。派人给关天培送来了“照会”，提出五项无理的停战条件。其中最重要的是“应将现在起建之炮台各工停止，不得稍有另作武备”，并要求限三日内允准。而在稍后，英军又派兵在“水底暗算”，破坏了第一道拦江铁排链和部分江底的木桩。关天培是久经沙场的老将，当然知道更大的战争已迫在眉睫，停战和谈只是英军的计谋，战争已不可避免了。因此为争取时间，修复武备，他采用缓兵之计。不去正面回答这些条件，仅在1月10日照会义律、伯麦，告以此事归两广总督琦善管，所以需要与其“往还酌商”，三日期限，“万来不及”，要求英方等待。并提议“可否再为商议”，同时含混的许诺“缓商办理，未有不成之事”。这一策略取得了成功，从后来伯麦1月11日照会来看，英方认为关天培已允诺“彼此不应再作武备”这一停战条件。关天培的缓兵之计争取到了加强虎门的防守、准备再战的时间。
在这段宝贵的时间里，他根据沙角之战暴露出清军炮台侧后往往布防空虚的教训，在武山侧后的三门水道开始修建一座安炮80门的隐蔽式炮台，以防英军故伎重演；在威远炮台的南侧、上横档岛等处，紧急调用沙袋搭垒临时性炮台；又在各处炮台的侧后，添派兵勇，准备与抄袭后路的英军登陆部队作战。伯麦见此情曾于1841年1月11日和13日，两次照会关天培，要求对此作出解释，否则立即动武。关天培继续采用拖延政策，复照表示“排链已不添安”；各山所搭帐房“全行撤去”；新增援的官兵不能立即退走，是因为雇船“未能速到”。从后来的事实来看，沙角、大角之战后，除排链重建一事外，虎门第二重门户横档一线的增兵添防工作一直没有停止。到大战爆发前横档一线有威远、靖远、镇远、横档、永安、巩固六座炮台及一道排链（第一道排链已经被毁坏）。各部分的情况是：
（1）东岸。武山一带有镇远、靖远、威远三座炮台，火炮增至147门；在威远炮台南，建有两座沙袋炮台，安设小型火炮30门；在炮台后山，建有军营，驻以兵勇，以防英军抄袭后路。
（2）江中。在上横档岛，除原设横档、永安两炮台外，在该岛的南北又增建用沙袋垒的炮台；在岛中部的军营中驻有不少的兵勇，准备与登陆英军交战。全岛的火炮数目增至160门。
（3）西岸。在芦湾一带，除原有的巩固炮台外，又在芦湾山后建一军营，驻守兵勇。炮台和军营共有火炮40门。
总之，在横档一线，清军在此时共有兵勇8500人，火炮377门，远远超过了以前的数量。在短短的几十天内，如此大规模增加军备，可见关天培已经尽了自己最大的能力了。
战争不可避免地到来了，而且这是中国正式对英宣战以来的第一仗，是全力以赴的广东水师同英国海军主力之间的正式较量，胜败影响巨大而深远。
黑云压城城欲摧，虎门要塞危在旦夕，而琦善拒不发兵救援，引起广大爱国志士及官兵的愤怒，他们强烈地要求琦善出兵，援助关天培。已被免职的林则徐、邓廷桢和广东巡抚怡良等，也坚请琦善派兵援守虎门，保住进入省城的要隘。琦善看众怒难违，不得不派兵援助关天培。当时琦善握有八旗兵、绿营兵及团练数万大军，而他只派刚刚到达的贵州兵1000人，增援太平墟；湖南兵900人，会同广东省兵700人出守乌涌口，装出一副准备抵抗的姿态。
然而，这一切已经太晚了。2月25日，英军18艘军舰冲进虎门，将下横档岛、永安两个炮台团团围住了。
2月26日拂晓，天灰蒙蒙的，还不停地下着小雨，英国侵略者向虎门各炮台发动了总进攻。他们先向被围的下横档两个炮台开炮，当时守将庆宇、达邦阿率领官兵，进行拼死抵抗，多次打退了英舰的进攻，一直激战到中午，终因寡不敌众、弹尽粮绝而失败了。敌人一窝蜂地涌上炮台，守卫炮台的士兵们誓死不投降，和守将一起，集体悲壮地跳入水井，以身殉国了。
上、下横档失陷后，关天培镇守的靖远炮台及其两侧的镇远、威远炮台就直接暴露在敌人的火力之下。靖远炮台是一座刚竣工不久的新炮台，只有大炮60门。敌人开始疯狂地向靖远炮台开炮，关天培和游击麦廷章等亲自率领士兵开炮还击着，战斗异常激烈，轰轰的炮声惊天动地，一片片火光映红了天际。关天培对着士兵们大声地喊着；
“兄弟们，给我狠狠地打！”
士兵们齐声回应着，高山大海共鸣着，一片悲壮景象。
关天培手握战刀，沉着地指挥着。突然，一个炮守中弹倒下了，他急忙来到这门八千斤巨炮前，亲自点响巨炮，轰击敌人。由于他们的炮式陈旧，炮台上有八门大炮因过热而炸裂了，另有一些炮因被雨水浸透而失效，火力大受影响。到了下午2点，敌人的炮火更猛了，炮台上的守军已阵亡大半，弹药也所剩无几了。英国侵略者在炮火的掩护下，开始攻上炮台。
炮台上到处是守军的尸体，鲜血已染红了这座神圣的炮台，活着的守军将士们眼睛都红了，他们从伙伴的尸体上踏过去，愤怒地冲向敌群，同敌人展开了肉搏战。关天培拿着战刀，拼命地与敌人撕杀着，他一身武艺，接连砍死好几名敌军，他的身上也受伤数十处，鲜血和着汗水，浸透了他的战袍。这位年已62岁的老将已经几天没有合眼休息一会了，疲惫异常，他凭着自己顽强的意志支撑着，在战斗间歇中，他把跟随自己多年的仆人孙长庆叫到面前，沉重地对长庆说：
“长庆啊，这是我的提督印，你快突围出去，把它送给抚军，决不能让他落在敌人的手里。”
孙长庆跪在关天培面前，痛哭地说着：
“不，大人，我决不离开您。我已跟随您十多年了，现在您有急难，我怎么能离您而去呢？我生也与您在一起，死也与您死在一起，决不离开您！”
他用手抓着关天培已被鲜血染红的战袍，死死不肯离去。
眼看敌人又冲到面前了，关天培急了，挥起战刀将大襟割断，大声地对孙长庆吼着：
“走，你给我快走！我上不能报答皇上的恩德，下不能孝顺老母，死有余恨。你如果突围出去，到老家告诉我的夫人，我死后，只要她能孝敬我的老母，我死也就瞑目了，她对我的恩德，只有来世再报了。”
说到这里，使劲推了孙长庆一把。孙长庆接过大印，哭号着冲下山去。
送走仆人，关天培又冲向敌群。忽然，一发炮弹击中了他的胸部，这位久经沙场的老将为国捐躯了。但他双目不闭，挺立不倒，仍像一座长城，威严地屹立在炮台之上，英国侵略者看到关天培屹立如生，吓得赶紧趴下。
孙长庆送印回来，战斗已经结束。炮台上到处都是守军们的尸体，鲜血和着雨水汇成一条小河，涓涓地在炮台上流着。他在尸体中寻找着。当他看到关天培的尸体时，这位老将全身都被炮火烧焦，数十处刀口还在流血，鲜血已染红了地面。他背起主人的遗体，一步一步地走下炮台，向远处走去。
虎门保卫战悲壮地结束了，中国的南海“长城”倒下了。广东人民听到关天培牺牲的消息，万分悲痛，他们自愿组织起来，为这位身无半文、英勇献身的老将捐款，筹办丧事，送这位忠魂回归故里。林则徐听到关天培牺牲的消息，哀友悲国，愤然写下挽联：
六载固金汤，
问何人忽坏长城，
孤注空教躬尽瘁；
双忠同坎壈，
闻异类亦钦伟节，
归魂相送面如生。
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