就在遼國援軍大舉南下、頻頻調動部隊之際，幽州城下的太宗，急於拿下卻對此一無知。
隻是傻乎乎地把幽州城圍了個裡三層外三層，妄圖一口吃個胖子。
此時，太宗的自我感覺非常良好，他一邊忙著部署攻城事宜，一邊忙著接見投降的遼軍將領。
遼鐵林都指揮使李札盧存、建雄節度使劉延素、薊州知州劉守恩紛紛來降，太宗均一一接見，並給予賞賜。
毫無疑問，他很享受這種君臨萬方、四海來歸的感覺。
形勢一片大好嘛！趙炅堅信，眼前這座雄偉的幽州城，必將像太原城一樣，最終臣服於自己腳下！於是，他加緊督戰。
宋軍在皇帝的嚴令下，不惜傷亡，晝夜攻城，搭雲梯、挖地道、轟石炮，各種各樣的辦法試了個遍，甚至連用作預備隊的猛將曹翰部也全員投入戰鬥，但該死的幽州城就是巋然不動。
就在攻守相持不下的關鍵時刻，遼國援軍到了！
七月六日，耶律沙率軍抵達幽州城，在城西的高梁河一帶與宋軍相遇，史上著名的高梁河之戰正式開打！宋軍見來者是昔日石嶺關敗將耶律沙，頓時信心百倍，個個奮勇向前。
耶律沙見宋軍依舊如此勇猛，膽氣上不免又矮了三分，隻好硬著頭皮，揮軍應戰。
兩軍纏鬥起來。
正在城西北督戰的太宗聞聽遼援軍抵達，立刻親率宋軍精銳趕來，也投入到戰鬥中。
兩軍激戰至黃昏時分，耶律沙部終於不支，收兵敗走。
太宗下令，全力追擊。
就在宋軍追著耶律沙屁股猛砍的時候，兩支遼軍突然殺出——不是別人，正是耶律休哥和耶律斜軫所率領的援軍。
他們命令每一名士兵舉兩個火把，分左右兩翼，包抄夾擊宋軍。
此時，暮四合。
隻見漫山遍野，無數火把火光跳躍，不知究竟來了多少遼兵。
猝不及防的宋軍驚恐萬分，根本沒料到會遭遇遼軍重兵的伏擊，頓時亂了陣腳。
趁宋軍驚懼之時，耶律休哥、耶律斜軫揮軍奮擊，以逸待勞的遼軍從左右兩翼發動猛攻。
原本敗退的耶律沙此時也穩住陣腳，轉過頭來反攻宋軍。
三股遼軍，如三支利劍，直插宋軍大陣。
太宗見勢不妙，急調攻城部隊來支援。
正在攻城的諸路宋軍接到命令，不敢怠慢，立刻撤圍，前去救駕。
守城的遼軍見攻城的宋軍急匆匆撤退，知道援軍已到。
於是，韓德讓和耶律學古立刻大開城門，率守軍沖殺出來。
幽州城內戰鼓齊鳴，聲震天地，為遼軍助威。
自平定太原以來，宋軍連續行軍、作戰，頓兵堅城之下，幾乎沒有休息，眾將士勉強支撐一陣後，終於抵敵不住，全軍崩潰。
混戰之中，耶律休哥直奔宋軍中軍殺來，他的想法很明顯——擒賊先擒王，目標很明確——大宋皇帝趙炅。
正在觀戰的太宗見對面一支遼軍不管不顧地直沖自己而來，頓時嚇得魂飛魄散，立刻掉轉馬頭，往南逃跑。
此時，宋軍眾將正疲於應付、自顧不暇，無人能近身護衛太宗，太宗隻好領著幾名侍衛拍馬狂奔，慌不擇路之時，大腿上中了兩箭，光榮負傷。
耶律休哥不依不饒，緊追不舍，即使自己身受三處創傷，仍然不肯放棄，換了驢車繼續追趕。
雖然趙炅的護衛不多，好在屁股下的禦馬『碧雲霞』是匹千裡良駒，載著皇帝一路疾馳，這才漸漸脫離了戰場。
耶律休哥一路追至涿州也沒趕上，隻好悻悻然北返。
驚魂未定的太宗逃到涿州附近，正好遇到往前線押運糧草的宋軍。
於是，在運糧部隊的護送下，太宗換了一身便裝，改乘運糧的驢車，繼續南逃。
此時，高梁河畔，群龍無首的宋軍，在遼軍的強力沖擊之下，已經完全陷入混亂，將領四散奔走，士卒爭相潰逃。
遼軍乘勢掩殺三十餘裡，斬首萬餘級，繳獲兵器、糧草無數，連宋太宗的禦袍，以及平太原後新納的北漢官嬪，也悉數落入遼軍之手。
七月十一日，仍在狂奔的趙炅，一路跑到了定州。
在這裡，他得到一個重要消息：一直追著他不放的耶律休哥，收兵北返了。
跑得上氣不接下氣的趙炅，終於緩過一口氣來。
隨後，他命崔翰、孟玄喆等將領留守定州，李漢瓊駐守鎮州，崔彥進屯兵關南，並授予諸將『便宜從事』之權，令其積極備戰，做好防禦遼軍報復性侵的準備。
之後便離開定州南下，於七月二十八日返回開封。
至此，高梁河一役，以宋軍慘敗告終。
可以肯定地說，從宋遼兩軍的實力對比來看，宋軍是占上風的。
這一點，從宋軍於石嶺關、沙河均大敗遼軍就可看出；尤其是在高梁河交戰之初，攻城多日、疲乏不堪的宋軍仍然擊潰了耶律沙率領的遼國援軍。
這些都說明，宋軍的實力並不弱，是完全有能力擊敗遼軍的。
既然如此，宋軍為何會慘敗？
關鍵因素，就在於三軍統帥趙炅。
第一，盲目決策。
平定北漢後，頭腦發熱的趙炅一拍腦袋，就貿然決意北伐幽州，但又完全沒做任何與遼軍開戰的軍事準備與心理準備，這簡直就是把戰爭當兒戲。
如此決策，焉能不敗？
！
第二，軍紀渙散。
拿下太原後，趙炅將北漢後宮嬪妃全部據為己有，還帶到了北伐幽州的前線。
上行下效，士兵們也紛紛擄掠北漢婦女充作軍妓。
自古打仗，最忌諱軍中藏女人。
如此胡鬧，焉能不敗？
！
第三，將士厭戰。
趙炅急於立下不世之功，樹立威望，擺脫即位合法性問題的困擾，於是一意孤行；而宋軍將士在太原戰役中，已經浴血鏖戰了五個月，正是需要休整的時候，此時北伐幽州，自然引起將士們的普遍不滿。
大家雖表面不說，但內心都很反感。
這一點，從鎮州出發之日扈從六軍不齊就已初現端倪。
後來，圍攻幽州半月不下，將士連番作戰，頓兵堅城之下，已形成『疲憊之師，不肯用命』的局面。
如此態勢，焉能不敗？
！
第四，戰術失當。
趙炅抵達幽州之後，從頭至尾，基本就沒做打援的準備，似乎眼中隻有幽州城，看不到南下增援的遼軍。
就連近在咫尺的耶律奚底、耶律斜軫等外圍遼軍也沒有全力清剿，埋下了致命的隱患，最後果然敗於遼國援軍之手，這是戰術上的嚴重失策。
同時，對於幽州城的圍攻，趙炅采取的是四面合圍、裡外三重的蠢辦法，逼得幽州軍民上下一心、全力死守。
如此愚蠢，焉能不敗？
！
反觀遼國，遼景宗善於擇人，派耶律休哥、耶律斜軫、耶律學古等大將，火速發兵救援，並授予完全的一線軍事指揮權；幽州守將韓德讓，臨危不懼，勇擔大任，憑險固守，靜待外援，全力配合，無論攻守，都很得當。
四路遼軍相互配合，協同作戰，抓住時機，全力出擊，終於一戰而定。
兩相對比，更可看出趙炅在軍事決策和指揮上的低能。
高梁河之戰，對後世影響極為深遠。
宋軍經此慘敗，完全葬送了平定北漢之後震懾遼國、一統天下的大好形勢；石嶺關大捷所樹立起來的對遼軍的心理優勢也完全喪失；經宋太祖精心調教、在統一中原的實戰中錘煉出來的大宋中央禁軍，遭遇重大打擊，不僅損失了數萬精銳，更嚴重挫傷了自信心，在將士心中投下揮之不去的陰影，就此落下『恐遼症』的病根。
而那位固執己見、獨斷專行的宋太宗也為此付出了代價：大腿上的箭傷從此年年復發，最終要了他的命，教訓極其慘痛！高梁河之戰，成為宋遼關系的重要轉折點。
從此，宋遼之間開始了長達二十五年的戰爭。