不过赵光义只认为辽军只能凭险固守，并不能打败宋军，就在979年6月25日对幽州展开围攻，但是宋军攻城十余日还是攻不下来。宋军围攻幽州不下后士气就有点低迷了，后来辽军分左右两翼向宋军实施猛烈反击，宋军也只能撤退围城部队了。驻守幽州城内的辽军乘宋军撤围后便开城列阵，四面鸣鼓呐喊助威。宋军惊慌失措而被辽军打败，赵光义还因此中箭受伤而逃。
赵光义在前期的胜利而过度自信，导致了在幽州的接连失利，况且对辽军的实力还是估计不足，在不了解自己军队的疲惫状况下就胡乱出兵，这种轻率鲁莽和侥幸取胜的动机，最后遭到失败也是情理中事。宋军在作战指导上移师幽州，仅是一个方向的进攻，并没有从幽州北面出兵配合牵制辽军，也没有控制一定的预备兵力。其次是对幽州城的防御力量估计也很不足。幽州是辽国的战略要地，辽国肯定是重兵把守，而宋军远程急进，没有攻坚准备，使得宋军有心无力的困境。
幽州既然是辽国的陪都，在受到围困时肯定有重兵增援。但赵光义却别一些大臣怂恿，没有发现宋军的现状如何，也没有作出任何阻援部署，只顾倾全力攻城，最后只能是失败而已了。反观辽军虽然在宋军进攻早期时遭到挫败，但能采取一些有效措施来弥补时间上的不足。在战役中运用了有效的战法扭转战局，从而能够解围幽州的困境。
