天津教案发生后，英、法、俄、美等七国军舰云集天津，七国公使向清朝的总理衙门抗议。慈禧害怕洋人像十年前一样，再次从天津进犯攻破北京，所以急忙派直隶总督曾国藩前往天津处理此事。此时的曾国藩已经六十岁了，身体开始出毛病，右眼已经看不清东西了，并且常常会头晕目眩，坐着的时候感觉好好的，一旦躺下了就感觉天地旋转，非常难受。
朝廷有难，曾国藩不得不拖着病体赶往天津。到天津后，曾国藩面对的情况是很复杂的，一方面洋人们的军舰停在外边的海上，气势汹汹，不敢得罪；另一方面天津的百姓怒气冲天，稍有不慎就可能再次激怒他们；北京城的激进官员们也纷纷言称决不能退让，一定不要答应洋人们的非分要求，大不了一战。
曾国藩首先调查整个案件值得怀疑的地方。谣言说那些孤儿们都是被诱拐的，而且有一个叫武兰珍的供认自己就是诱拐孩子的人，但是知县刘杰已经查出来武兰珍在说谎。曾国藩不敢大意，再次查了这件事情，结果发现天津当地确实有拐卖儿童的案件，只不过和教堂无关，教堂收留的儿童都是亲人送过来的。因为当时疫病流行，并且送过来的儿童很多都是重病的，所以陆续有孩子死掉。教堂和当地百姓一直以来就有很大的矛盾，为了避免老百姓猜疑，都是夜里偷偷把孩子的尸体埋掉，结果这样反而弄巧成拙，天津百姓发现孩子们的尸体后，更会往坏处想。
曾国藩又调查用孩子眼睛和心脏做药的谣言，最后发现也都是假的，教堂收养没人管的孩子和病重的人是常有的事，但当地百姓因为不了解教堂里边的情况，总觉得教堂隐秘莫测，里边又有地窖等设施，难免妄加猜测。之所以出现这样的事，和当时的百姓不了解教堂有着莫大关系，因为不了解，总觉得中国人信了天主教是因为受迷惑所致，因为不了解，总觉得天主教行事诡异怪诞，不符合中国习俗。
从曾国藩的调查结果来看，教堂是没什么责任的。调查完毕，曾国藩将调查结果上报朝廷，曾国藩在奏折里说明百姓愚昧，不了解情况，所以才有这次教案，所以理屈的一方是天津的百姓，而且曾国藩还说杀人偿命，天经地义，只有这样才能安抚洋人，也才能遏制天津的刁风，不至以后再出现这个事情。正是这个调查结果，直接把曾国藩推到风口浪尖，曾国藩去天津前，所有人都对曾国藩充满希望，认定曾国藩不会像崇厚那样懦弱，肯定会给出一个满意的答案，没想到曾国藩给出来的答案不是他们想要的“满意答案”，一时间口诛笔伐，谤讥纷纷。
曾国藩接着和洋人商讨怎么处置天津教案，起初法国公使罗叔亚要求处死天津知府张光藻、知县刘杰以及直隶提督陈国瑞，用这三个人来抵命，曾国藩不同意，自己现在已经是千夫所指，而张光藻、刘杰在处理教案的问题上是秉公执法，没什么大错，如果杀掉，必定难以平复国内民众的情绪。罗叔亚见曾国藩不同意，赶往北京向慈禧施压，慈禧立刻令曾国藩从速办理。最后，曾国藩在外有列强战舰，内无防御之兵且被上头施压的情况下，和罗叔亚商量出一个一命抵一命的处理办法，曾国藩杀掉20个教堂烧杀的主犯，用来抵死去的20个洋人的性命，另外将知府张光藻、知县刘杰发配黑龙江，赔偿洋人损失49万两白银，让崇厚出使法国，亲自道歉。
曾国藩的这个处理办法，引来全国骂声一片，民众以卖国贼称呼曾国藩，北京的湖南同乡都以曾国藩为耻，将会馆内的曾国藩官爵匾额砸毁，且削去曾国藩名籍，不承认他是湖南人。
天津教案让曾国藩几十年的声誉扫地，从一代名臣变成人人喊打的卖国贼，这是他万万没想到的，在当时的情况下，他做出这样的决定也是万不得已的，虽然主战派坚持决不妥协，但是清朝内部已腐败不堪，枪炮不如洋人，战力不如洋人，一旦强硬谈判破裂，怎么去应对列强的进犯。曾国藩只能秉承慈禧旨意，选择了杀人赔钱，息事宁人。
这样的处理也是曾国藩不情愿的，事后也一直觉得自己在整个事情的处理过程中，表现过于软弱，非常愧疚。曾国藩也因为天津教案病情急剧恶化，正好刺马案爆发，张汶祥刺死两江总督马新贻，朝廷让曾国藩的学生李鸿章代为处理天津教案一事，将曾国藩的直隶总督改为两江总督，让他回江宁养老去了。之后的一年多时间里，曾国藩一直心情郁郁，既内疚于神明，又外罪于清议，终于在同治十一年（1872）二月，病死于两江总督任上。
