1852年（咸丰二年），授兵部尚书。

1853年（咸丰三年），太平军攻占江宁（今江苏南京），京师戒严。桂良疏请各城门稽查增派八旗章京兵丁，补葺城上兵房。太平军北伐至河北，直隶总督讷尔经额出省防剿，桂良奉旨带兵驰赴直隶（今河北）省城保定驻扎，作为后路声援，兼防西路要隘。望都、唐县土匪起，桂良捕诛之。该年秋，太平军由山西进犯畿南，讷尔经额兵溃于临洺关，隆平（今河北隆尧县）、柏乡相继失陷。讷尔经额被罢免追责，授桂良为直隶总督，诏责偕都统胜保速筹防剿。布政使张集馨出兵延误，劾罢之。太平军转战正定、定州、深州、河间、天津。桂良率提督张殿元守保定，科尔沁郡王僧格林沁率大军驻通州守卫京师，胜保督师进剿。

1854（咸丰四年），大败太平军于独流镇，太平军退走阜城、连镇（今属河北沧州），僧格林沁、胜保率军围攻，太平军退走山东，胜保追击之。桂良遣张殿元赴武邑防堵，弹劾散秩大臣穆辂、健锐营翼长双僖纵兵伤官扰民，议谴。

该年秋，英国、美国兵船至大沽，咸丰帝命桂良相机办理。寻以前任盐政崇纶归调遣，令赴天津会议。英国人咆呤要索十六条，欲遣官驻京及践广州入城之约，中外官平礼接见，通商税则变通旧约；美国人麦莲则仅言通商一端。崇纶等严拒其驻京，其余事情令赴广东听总督查办。屡议无要领，咆呤等人离去。

1855年（咸丰五年），僧格林沁大破北伐军，北伐军首领林凤祥、李开芳先后就擒伏诛，畿辅肃清。

1857年（咸丰七年），因功擢东阁大学士，管理刑部，兼正蓝旗蒙古都统。

1858年（咸丰八年）春，英、法、俄、美四国联军北犯，攻陷大沽炮台，直逼天津，桂良奉命与尚书花沙纳为钦差大臣赶往天津谈判议和，先后与俄、美、英、法等国代表签订《天津条约》。五月，签约退兵，命桂良与花沙纳南下上海，武备院卿明善、刑部员外郎段承实作为副手，会同两江总督何桂清与英、法、美等国议定通商税则，签署《通商章程善后条约》。八月，至上海，晋文华殿大学士，授内大臣。何桂清力言免税之不可，改约之难成，桂良亦赞其议，咸丰帝甚怒，必责其补救一二端，而各国因广东民团仍与为难，且出示伪载谕旨，坚欲罢两广总督黄宗汉，停撤民团。桂良等疏闻，乃解黄宗汉通商大臣，改授何桂清。桂良等噤不敢言罢驻京诸事，先议税则。十二月，英使额罗金率兵船赴广东，遂罢议。

1859年（咸丰九年），回京，仅美国遵换通商之约，英军复犯大沽，僧格林沁率兵击退之。

1860年（咸丰十年），战争又起，英法联军大举进犯，清军失利。七月，复命桂良赴天津议和，英法要求增加兵费，入京换约，严诏拒绝。英法联军攻陷天津，进逼北京。咸丰帝逃往热河，受命与奕訢留守办理议和事宜。10月，签订中俄、中英、中法《北京条约》。

1861年（咸丰十一年），同治帝即位，回京，命在军机大臣上行走。

1862年（同治元年），卒，优恤，赠太傅，谥号文端，入祀贤良祠。

《清史稿》：“桂良以帝室葭莩，与闻军国，数膺议和之使，无所折冲。”

《清史稿·卷三百八十八·列传一百七十五》