第二次鸦片战争期间，法国天主教传教士随同法国侵略军一起进入天津，充当法军的翻译，参与《北京条约》的谈判。1861年北京北堂的本堂神甫卫儒梅到来天津主持传教，法国领事强迫三口通商大臣崇厚将三岔河口北岸的望海楼让给天主教会。1862年天主教会又取得与望海楼毗连的崇禧观的永租权，望海楼则作为法国领事馆。望海楼曾作为皇帝行宫，崇禧观也是著名寺院，被法国领事和教会强占，严重伤害了天津官绅士民的民族感情和宗教信仰。1864年天主教会又在与望海楼隔岸相望的小洋货街修建了仁慈堂、医院、施诊所、修女住宅及一座小教堂。1866年法国神甫谢福音主持天津教务后，为了获得更多的欧洲捐助的传教经费，吸引更多的百姓入教，便鼓励仁慈堂、医院大量收容婴儿、病人。1869年又开始在崇禧观旧址修建大型教堂，即望海楼教堂。
1870年入夏以来，天津传染病流行。仁慈堂收容的儿童病死较多，夜间抬至河东义冢草草掩埋。6月4日，幼孩儿尸体被野狗扒出，引起民众围观，“有谓天主教挖眼剖心者”。接着又拿获拐犯两人，供认用药迷拐幼孩，经官府讯明正法。天津知府张光藻贴出告示称：“风闻该犯多人，受人嘱托，散布四方，迷拐幼孩取脑挖眼剖心，以作配药之用。”暗示教堂难免没有“挖眼剖心”之事，这更激起民间的反教情绪。6月18日，又拿获拐犯武兰珍，供称受教民王三指使，以药迷拐幼孩，拐一人给洋银5元，夜间便宿于教堂。此供传出，舆论哗然。从6月5日以来，民众不时成群结队地聚集在教堂附近，发表愤激的议论，要求仁慈堂释放幼孩。修女害怕由此引发暴力行动，同意民众选出5位代表入内检查，当选出的代表进入仁慈堂内时，法国领事丰大业赶来阻止，出言不逊地把代表撵出堂外。
6月21日上午，天津道周家勋会同天津知府张光藻、知县刘杰带武兰珍前往教堂对证，却未找相关证据及王三其人。周家勋等人离去后，围聚在教堂外的民众与法国领事馆人员发生冲突，向教堂抛掷砖头。丰大业要求崇厚派兵弹压，崇厚仅派知县刘杰及巡捕2人前往制止。丰大业见状大怒，持枪率秘书西蒙往见崇厚，一进门即怒言相向，开枪示威，将室内什物信手打破，扬长而去。行至路上，遇见自教堂返回的刘杰，丰大业迎面放枪，将刘杰家人高升击伤。成千上万的愤怒民众当场将丰大业和西蒙殴毙，接着将望海楼教堂、法领事馆、仁慈堂及洋行焚毁，又焚毁英国礼拜堂4处、美国礼拜堂2处。混乱之中殴毙或烧死18名外国人，连同丰大业和西蒙，共20人。遇害的还有中国教民16人。
关于这场突发事件的起因，美国历史学家马士曾作过如下分析：“半世纪的种族嫌恶，十年来的民族怨恨，反基督教情绪的滋长，部分的基于宗教的偏见，部分的基于迷信，部分的基于轻信谣言；所有这些达到了一个共同的焦点，并且这种上涨着的纷扰于三小时的杀人、放火和抢劫中达到极点。”实际上，民众的猜疑和怨恨只是聚积的火药，而丰大业首先开枪则直接引发了火药的爆炸。美国公使镂斐迪表示不相信丰大业会向崇厚开枪，但相信丰大业“是在激动得濒于发狂的状态下走进崇厚的衙门的”，也指出丰大业“拔出他的手枪对群众放了两三枪，我对此是不怀疑的。看来这便成了暴民动手血洗的信号”。
天津教案发生后，中外震惊。6月22日，法国代理公使罗淑亚联合俄、西、美、德、比、英等七国公使照会清政府，要求迅速惩治凶犯；英、法等国军舰则驶至大沽口海面示威。在中国各口岸的外国人还纷纷提出了连镂斐迪也认为“太过分而不合理”的赔偿办法以及“形形色色的报复措施”，甚至扬言“最低要求是使用武力迫使整个中华帝国开放对外交往，从要求较高的将所有中国官吏一律斩首，推翻现政府，乃至将全国置于外国保护之下”。
清廷于6月23日谕令直隶总督曾国藩赴津会同崇厚查办。曾国藩时驻保定，正在病中，其幕僚多劝其不可仓促赴津。曾国藩奉旨后于27日奏明，立意不与各国开衅，认为此案“最要之关键”是查明“教堂迷拐”和“挖眼剖心”之真相，“审虚则洋人理直，审实则洋人理曲”；同时“严拿凶手以惩煽乱之徒，弹压士民以慰各国之意”。曾国藩深知此案重大棘手，赴津凶多吉少，行前特意留下遗书。他说：“外国性情凶悍，津民习气浮嚣，俱难和叶，将来构怨兴兵，恐致激成大变。余此行反复筹思，殊无良策。”
7月4日曾国藩离开保定启程，8日抵达天津。绅民的反教狂热并未平息，甚至传说皇上派曾国藩来天津驱逐洋人。天津县48保各派代表，拦舆递禀，皆控教会诛害幼孩、挖眼剖心；朝中清议也宣称民心可恃，力主拒外，形成强大舆论压力。李鸿章致函提醒曾国藩“与洋人交略参用痞子手段”，但曾国藩在对外交涉中向来坚持“忠信”第一的原则，认为“非得有确实证验，断不足以折服洋人之心”，决意按既定方针，先从查清“教堂迷拐”和“挖眼剖心”的真相入手。然而，经提审王三等教民，讯问津城众多绅民，调查仁慈堂内150多名男女等，结果没有找到任何证据，只得承认“彼直我曲”。17日法国公使罗淑亚到津，曾国藩与之谈判。罗先提出赔修教堂、埋葬丰大业、惩究地方官及查办凶手等要求。两天后又以武力相威胁，提出必须以知府张光藻、知县刘杰和提督陈国瑞抵命。7月21日曾国藩奏明将张光藻、刘杰二员革职交刑部治罪，陈国瑞交总理衙门查办，并说明这是在罗淑亚威逼下为速成和局而违心作出的决定。他说：“该府县等实不应获此重咎，惟该使要求之意甚坚，若无以慰服其心，恐致大局决裂。”同时奏请朝廷明降谕旨，通饬各省，“俾知从前檄文揭帖所称教民挖眼剖心戕害生民之说，多属虚诬，布告天下，咸使闻知，一以雪洋人之冤，一以解士民之惑”。
在曾国藩审案之际，各国公使一再到总理衙门施加压力。9月，英、美公使先后照会总理衙门，“以迟延咎中国，以兵力为恫喝”，声称“是不和睦之衅，中国自开其端”。俄、德、美、英四国公使又联合照会总理衙门，指责清政府办案不力，“情重刑轻”。清廷迫于列强的压力，要求曾国藩尽快缉凶定案，又谕令江苏巡抚丁日昌、总理衙门大臣毛昶熙赴津协助办案。
在清廷的一再催促下，曾国藩不惜采取变通律例的办法：凡群殴中下手者，不论殴伤何处，均视为正凶；凡本犯无供，但得二三人指实者，即据以定案，分别于9月18日、10月7日分两批奏报惩办名单，共拟定正法者20人、军徒者25人。并声称：“办理不为不重，不惟足对法国，亦堪遍告诸邦。”此时，法国也相应地在天津府县官员抵命的问题上作了让步。清廷于10月5日和9日发布上谕，着照曾国藩所拟，将上述人犯分别即行处决或发配充军。在此之前，根据刑部判决，张光藻、刘杰已被发往黑龙江充军。李鸿章抵天津接任直隶总督后，于10月19日将冯瘸子等16人处死，另有田二等4人原以杀死俄人而拟定正法，经复审以误杀罪减刑。翌年1月3日，又将于起等25人分别处以军、杖、徒各刑。
同时在北京和天津两地分别就赔偿、抚恤两项与各国谈判。最后议定赔偿法国领事馆、教堂及商人等损失共21万两，英国礼拜堂损失2500两，美国礼拜堂损失4785.19两，德国商人损失1203两；抚恤法、比、英、意等国死者共25万两、俄国死者3万两、中国教民死者5000两；全部合计503488.19两。清廷还派崇厚持国书赴法国“代达衷曲，以为真心和好之据”。
清政府对天津教案的处置，开了“重刑结案”的先例，受到朝野清议的普遍抨击。尽管曾国藩是奉旨行事，但依然成为众矢之的。他亦自称“内疚神明，外惭清议”。1872年3月12日，这位清王朝的“中兴名臣”在“谤讥纷纷，举国欲杀”的一片谴责声中死去。
重刑结案虽然意在“关洋人之口而服其心”，但无法关国人之口、服国人之心。当冯瘸子等16人走上刑场时，成千上万的天津民众为之送行并举行公葬，募捐为他们立碑建祠。法国代理天津领事在当天就记述了他所目睹的情形：
在前往刑场途中，尽管是凌晨，群众早已云集。犯人们向一批批群众高声叫喊，问：“我们面可改色？”大伙立刻齐声回答：“没有！没有！”他们控诉当官的把他们的头出卖给洋人，叫人们用“好汉”的称呼来表示对他们的尊敬，人们当即同声高呼。判死罪的这些人的亲友一路跟随前进，放声恸哭，泪流如注。到达西门外刑场时，罪犯们开始拉长了嗓音高唱，听到这歌唱声，执法官协台下令斩首。罪犯们伸颈就戮，毫无惧色。
这位领事承认说：“从我最近听到的，这些杀人犯的死不大可能使百姓留下引为前车之鉴的印象，反而有可能加深他们对洋人的敌对情绪。这些被置于死地的人，无疑在民众眼中被视为烈士。”
为了防范再发生类似教案，清政府又于1871年向各国驻华公使馆提出《传教章程》，对传教士在中国的传教活动作了若干规范，要求传教士遵守中国的政教风俗。主要内容有：（1）育婴堂收养幼孩难免酿疑起衅，何不将育婴堂概行裁撤，以免误议。（2）各教堂内凡中国妇女概不准入堂，即外国女修士亦不准在中国传教。（3）传教士居往中国当从中国法律风俗，不得自立门户，不准干涉诉讼。（4）民教交涉之案，拟罪均当平允，教民犯法，亦当按律拿办，教士不得庇护。（5）教士何人到何省传教，须在所领执照中注明，不得暗赴他省，或转给他人。（6）收人入教，须事先访查其人有无作恶犯罪之事，并知会地方保甲登记在册。（7）教士当照中国规矩，不可干犯名义，擅用关防印信于大小衙门送递照会。（8）教士不得任凭私意指请索还教堂，凡买地建堂或租赁公所，须向地方当局呈明，不得伪托他人买产，私自成交。这些建议和要求，出于规范教士和教民的行为，以减少民教冲突，是完全合理和正当的，但立即被各国公使断然拒绝，也遭到传教士的坚决反对，成为一纸具文。天津教案之后，传教士的传教活动受不到限制而无所不为，中国民众对洋教的愤恨得不到舒缓而日益炽烈。从此以后，教案发生的次数更加频繁，波及的范围也更加广泛。