道光十九年（1839年），清政府任命湖广总督林则徐为钦差大臣，南下广州，主持禁烟运动。关天培除了积极配合两广总督邓廷桢打击鸦片走私贩外，还坚决支持林则徐的禁烟行动，并出动水师，首先承担了收缴和销毁鸦片的重要而艰巨的任务。共收缴英美两国商人的鸦片两万多箱并全部交给林则徐， 在虎门海滩销毁。因为关天培在禁烟运动中积极配合林则徐，立下汗马功劳，还受到清廷加一级的奖励。

道光二十年（1840年）九月，林则徐被撤职查办。广东地方官吏大多改持与侵华英军“和谈”的态度，而关天培却不为所动，仍然坚决主战。是年十二月初十，虎门要塞的沙角、大角炮台均被英军攻陷，守将陈连升等战死。关天培坐镇虎门，仅剩数百名将士随其坚守要塞。他多次向两广总督请援，但均无法取得有力的援助。 时任两广总督琦善仅遣兵二百进行敷衍。关天培知道难以挽回战局，遂决心以战死报国。道光二十一年（1841年）二月初六，英军对虎门要塞发动总攻，以战舰10艘、汽船3艘，配以登陆部队，猛攻关天培所在的靖远炮台。战斗从中午到深夜，进行得异常激烈。年逾六旬的关天培亲自指挥，负伤十余处尚亲自开炮还击敌军。英国司令向关天培发出最后通牒，令其放弃虎门各炮台，关天培不予理睬。 至傍晚时英军攻入炮台，关天培持刀奋战被砍伤左臂，受伤10多处，但他仍屹立阵前，亲手燃炮射击。后被枪弹击中，致创痕遍体，口中仍然大呼杀敌。

为了不使提督大印落入敌手，关天培急令随从将大印带走，随从哭着拽住他的衣襟，请求一同撤走。关天培厉声拒绝，坚持指挥，激励士兵奋力苦战。忽然，敌人又一发炮弹袭来，这位年逾六旬的老将不幸中弹牺牲。关天培以身殉职时，双目紧闭，挺立不倒。英军见“关天培挺立如生，反骇而仆”，个个吓得目瞪口呆。最后，守卫炮台的400多名将士，全部壮烈殉国。