辽国派出的援军被击退于石岭关外，大将耶律德烈也战死。苦战五个月后，北汉在外援不至的情况下，宋太宗也亲临太原城下劝降，北汉的将士纷纷出城投降宋朝，北汉皇帝刘继元被迫于五月初向宋太宗投降。
北汉名将刘继业看到皇帝已投降，他也释甲来见宋太宗。宋太宗看到刘继业投诚，非常高兴，即让他取消北汉的赐姓，恢复杨姓，单名业，他便是著名的 "杨家将"里的杨业杨令公。
北汉投降后，其所辖的10州、41县也归入宋朝的版图，至此，自唐朝灭亡后，持续了几十年的五代十国割据局面宣告结束。
在灭掉北汉后，宋太宗还试图收复被石敬瑭割让给契丹辽国的幽云十六州，只是连续两次均以失败而告终，宋朝的版图也就停留在了北汉归宋后的区域。
