宋朝開戰
五月二十日，宋軍從太原分路東進，翻越太行山，二十九日抵鎮州(河北正定)，進入河北平原。六月初七，趙光義調發京東、河北諸州的武器裝備和糧秣運往前線。
六月十三日，宋太宗趙光義自鎮州出發，十九日次金臺屯，募民百人爲嚮導，二十日至東易州(時宋遼各置一易州，西屬宋，東屬遼)之西，過拒馬河入遼境。遼易州刺史劉宇，涿州判官劉厚德相繼獻易州、涿州投降宋軍。 宋軍推進很快。六月二十三日，趙光義大軍至幽州城南，駐蹕寶光寺。當時遼南京(宋稱幽州，遼爲南京析津府所在)守將爲權知南京留守事韓德讓以及權知南京馬步軍都指揮使耶律學古。另有遼北院大王耶律奚底與統軍使蕭討古等軍在城北屯紮。宋軍先鋒東西班指揮使傅潛、孔守正巡哨城北，在沙河遇到遼軍，馬上以先至的兵馬與之交戰，後軍不久到達，而後諸軍齊集，大敗奚底、討古及乙室王撒合軍，斬獲甚衆，生擒五百餘人。遼南院大王耶律斜軫(又譯“色珍”)屯兵得勝口(河北昌平天壽山西北)，看宋軍銳氣正盛，不敢與之直接衝突，便趁着耶律奚底新敗，在得勝口用青幟僞作收容潰軍之狀以誘敵。趙光義得到探馬報告，便有輕敵之心，麾軍繼續攻擊，宋軍將士乘勝追擊，斬首千餘級。而斜軫抓住機會突然襲擊宋軍後方，宋軍敗退，與斜軫軍對峙於清沙河(北京城北二十里)北。遼南京城內守軍得此聲援，固守之志更加堅定。 六月二十五日，宋軍看出耶律斜軫兵力不足，只是據險而守，僅能聲援幽州之敵，便只留一部兵力與之對峙，而用大軍圍攻幽州城。定國節度使宋偓與尚食使侯昭願，領兵萬餘攻城東南面;河陽節度使崔彥進與內供奉官江守鈞，率兵萬餘攻西北面;彰信節度使劉遇率軍攻東北面;定武節度使孟玄喆攻西南面。並以潘美知幽州行府事。耶律斜軫部將渤海帥達蘭罕率部降宋，趙光義以其爲渤海都指揮使。自此，城外宋軍對守城遼軍多方招降，使城中人懷二心，後又有其鐵林都指揮使李扎盧存等率所部出降。原在城外的遼御盞郎君耶律學古入城增守，與韓德讓等共謀守禦，安定反側，守軍才安下心來守城。
六月二十六日，趙光義由城南寶光寺至城北，親督衆將進兵，攻擊清沙河遼軍，大戰一日，殺敵甚衆，獲馬三百餘匹，遼軍稍卻，仍然憑藉險要堅守。三十日趙光義又督軍攻城，宋軍三百人乘夜登城，被耶律學古力戰所擒，後又發現並堵塞了宋軍挖的隧道，修守備待援兵。而當時，遼南京被圍，遠近震動，遼順州守將劉廷素、薊州守將劉守恩相繼率部降宋。
遼景宗耶律賢於六月三十日聞知南京被圍，耶律奚底、蕭討古、耶律斜軫等軍雖未大敗，卻不能進援，只能聲援，於是急遣南府宰相耶律沙率兵往救，其特里兗(官名)耶律休哥(又譯休格)自薦請纓，遼主便以休哥代替奚底，統帥五院軍之精銳馳赴前線。
遼軍反擊
宋軍圍攻幽州堅城不下，“將士多怠”，士氣低落。
七月初六，耶律沙大軍至幽州，趙光義督諸路軍攻擊，兩軍戰於高梁河，耶律沙力戰不支而敗退。然而當時的宋軍連續近二十日不停地猛攻幽州城，士卒早已疲殆，故而雖然戰勝，從中午到傍晚只追了十餘里。令趙光義始料未及的是，耶律休哥率軍出其不意間道而來，人人手持火炬直衝，宋軍不知其多寡，未等接戰心裏已經發怵，故不敢接戰，欲據高梁河爲抵禦之計。耶律休哥先收容耶律沙敗軍，使之回去再戰，與宋軍相持，然後與耶律斜軫各自統帥精銳騎兵，從耶律沙的左右翼挺進，乘夜夾攻宋軍，實行兩翼包圍鉗擊之勢。戰鬥激烈非常，耶律休哥身先士卒，身被三創猶力戰。城中耶律學古聞援軍已至，也開門列陣，四面鳴鼓，城中居民大呼，響聲震天動地。耶律休哥繼續率部猛攻，這時宋軍才發覺已被包圍，又無法抵抗遼軍的猛攻，只能紛紛後退。耶律沙從後面追擊，而休哥與斜軫兩軍也對宋軍實行超越追擊。宋軍大敗，死者萬餘人，連夜南退，爭道奔走，潰不成軍，趙光義與諸將走散，諸將也找不到各自的部下軍士。趙光義的近臣見形勢危急，慌忙之中找了一輛驢車請趙光義乘坐，急速南逃。耶律休哥時已受重傷，昏死過去，不能騎馬，左右用輕車載着他，代他發號施令，繼續追擊。一直追到涿州城下，獲得兵器、符印、糧草、貨幣不可勝計。
宋軍撤退
趙光義於七月初七日天明之後，已先到達涿州城外，當時宋軍的敗兵還沒到。他又繞過涿州城，直奔金臺屯，見諸軍尚未到達，纔敢停住“車駕”觀望。初九日，趙光義見諸軍仍然未到，便使人往探，這才知道諸軍仍在據守涿州，而且有策劃立太祖子武功郡王德昭的事，於是急命崔翰往傳詔命班師。
趙光義爲防備契丹乘勝南侵，命殿前都虞侯崔翰與定武節度使孟玄喆屯兵定州，河陽節度使崔彥進屯關南，雲州觀察使劉廷翰爲都鈐轄與彰德節度使李漢瓊屯鎮州，以上諸軍都由劉廷翰指揮並得便宜行事。本來這樣就可以了，可趙光義偏偏又授諸將陣圖，命令他們，如果契丹來犯，必須入圖佈陣，交代完之後，他才自金臺屯南返，七月二十八日還至東京。
