水师提督关天培不仅设计了虎门要塞 ， 也为虎门要塞制定了海陆协同作战计划 。根据关天培的作战计划 ， 虎门要塞设置了三条防线 。第一条防线是濒临伶仃洋的大角、沙角炮台 ， 第二条防线以横档为一线加固横档和镇远两炮台、最后一条防线是江心虎门大岛的大虎炮台 。舟师作为辅助力量 ， 负责支援各炮台并骚扰迟滞英舰 。关天培对自己的要塞和作战计划很有信心 ， 自己亲自坐镇靖远炮台指挥战斗 。
作为凝聚数千年来中国军事工程学精华的结晶 ， 虎门要塞其火力之猛、城池之坚、规模之大不仅远超前代 ， 就是放眼当时整个东亚也无出其右 。纵然如此 ， 英国人还是毫不留情地指出虎门要塞的7大缺点：炮台台身为砖石结构 ， 一经炮击砖石横飞 ， 杀伤威力尤甚于炮弹直接命中的伤害；上层建筑裸露无顶盖工事 ， 桅杆上或山上的英军可以居高临下将炮台内部一览无遗；炮台建址过高或过低 ， 存在大量射击盲点；炮台设置只顾拦江阻海并无纵深防御 ， 炮台侧面和后方除一道墙几无防御 。
各炮台之间间距过大 ， 难以互相依托支援 ， 又受限于射程有限 ， 一但水道或陆路被切断便成孤岛一座；清朝炮台炮眼要么开口过大要么开口过小 ， 过小影响射击界面 ， 过大则容易遭受攻击 。；舟师无用 。部署虎门的清朝舟师大多为数百吨的小船 ， 船体无法承受得起重型大炮发射时的后座力 ， 各船所载的火炮大多为2、3千斤以下不能毁损英舰船壳 ， 火船战术则根本不值一提 。
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1月7日上午8日 ， 复仇女神号等4艘武装轮船以及其他小型运输船将1419名英国陆军运输到穿鼻湾登陆 ， 该登陆点距离不过第一重门户的沙角炮台不过数里 ， 但清军此处并不设防 ， 英军设想中的滩头激战并未出现 。登陆后 ， 英军携带3门轻型加农炮火速朝沙角炮台背后的山上进攻 。
沙角炮台的清军对登陆的英军毫不知情 ， 他们集中精力和正面驶来的四艘英国小型战舰打了不亦乐乎 。这四艘战舰最大者不过载炮28门 ， 小的载炮唯有10数门 ， 在欧洲海战上都不配进入战斗序列 。但它们船上装载的18磅炮和32磅炮以及让沙角炮台疲于应付 ， 尤其是英舰炮手从桅杆上发射回旋炮居高临下地点燃了炮台内的木制建筑 ， 清军不得不忍受烈焰和浓烟的折磨 。
登陆的英军行进速度非常快 ， 10点钟就占领了一条可以俯视清军阵地的横向山脊 ， 英军在那里建立了一个简单的炮兵阵地 ， 居高临下地点射山下的清军军营 。清军很快地抛弃了他们的营地 ， 四散逃去 。英军趁势猛攻夺取了沙角上炮台 ， 联合山脊的野战炮兵阵地一同猛轰沙角正炮台 。沙角炮台的清军已经在三个多小时的炮战里损失了一半人马 ， 他们的阵地被浓烟和烈火包围 ， 现在又遭到背后一击 ， 士兵不顾军官的阻扰开始争相逃窜 。炮台遂落入英军手里 。
在沙角炮台沦陷之前 ， 它的姐妹炮台大角炮台更是早已土崩瓦解 。英军集中4艘体量较大的军舰——26门炮的萨玛兰号、44门炮的都鲁登号、18门炮的哥伦拜恩号和摩底士底号对大角炮台狂轰滥炸 ， 一时之间大角炮台内弹片砖石横飞 ， 清军死伤无数 。清军炮手试图还击 ， 但他们不是被从天而降的回旋炮弹打得血肉模糊 ， 就是他们的大炮已经被从炮口钻入的英舰炮弹所摧毁 。四艘英舰轮番在大角炮台射程外的距离内轰击了数小时后才驶到近处抵近射击 ， 打得大角炮台基本哑火后 ， 才放出装载陆军的小艇登陆 ， 从围墙缺口处占领“空无一人”的炮台 。
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