吐蕃人多势众，李立遵气势汹汹。但曹玮的宋军训练有素、装备精良，具有很强的战斗力。故此曹玮决定在气势上先要压倒对手，他看到敌军分为三队，一名蕃僧正在前方走来走去。曹玮断定是吐蕃的指挥官，问左右谁最善射，左右均答李超。李超随即策马来到曹玮面前，曹玮问："你需要带多少骑可以射杀那位蕃将？"李超观察了一下说要十五骑。曹玮马上令："给你一百骑，务必射杀此将，否则提头来见！"
李超在一百精骑的掩护下，接近敌阵，那一百名骑兵突然向两侧分开，中间李超飞马而出，凭借高超的骑射本领，只一箭那蕃僧就应弦而倒，蕃军顿时大骇，乱了手脚。曹玮见状，身先士卒，率精骑从敌军侧后方猛攻，以两翼骑兵夹击吐蕃军军阵。在宋军精骑的攻击下，蕃军阵势大乱，不能抵抗宋军的正面冲击，溃败而去。
据《宋史》与《续资治通鉴长编》记载，三都谷之战宋军"斩首千余级"，"擒七人"，宋军追奔20里至沙洲而还，缴获马牛、杂畜、器仗三万三千计，官军将士有一百六十人受伤，阵亡六十七人。真宗得到捷报后，非常高兴，赏赐曹玮金带、锦袍、器币。另有《东轩笔录》描述"贼大溃，斩首三千级。明日，视林薄间，中伤及投崖死者万计。"《东都事略》称"斩首万级"。
曹玮以其出色的战绩，成为宋朝西北边防的旗帜，在中国战史上写下了浓重的一笔。不久，河州、洮兰、安江、妙敦、邈川、党逋诸城皆前来归顺。三都谷之战是宋代军事史上一次重要的战役，这一仗使得宋和吐蕃维持了几十年和平，也奠定了曹玮战神的地位。
