七月初六，耶律沙大军至幽州，赵光义督诸路军攻击，两军战于高梁河，耶律沙力战不支而败退。然而当时的宋军连续近二十日不停地猛攻幽州城，士卒早已疲殆，故而虽然战胜，从中午到傍晚只追了十余里。令赵光义始料未及的是，耶律休哥率军出其不意在见道出现，且人人手持火炬直冲，宋军不知其多寡，未等接战心里已经发怵，故不敢接战。宋军一来对夜战没有丝毫准备，二来探不清敌方虚实，只得停止追击，在高梁河畔列阵，准备进行硬碰硬的正面对攻战。
耶律休哥先收容耶律沙败军，使之回去再战，与宋军相持，然后与耶律斜轸各自统帅精锐骑兵，从耶律沙的左右翼挺进，乘夜夹攻宋军，实行两翼包围钳击之势。战斗激烈非常，耶律休哥身先士卒，身被三创犹力战。城中耶律学古闻援军已至，也开门列阵，四面鸣鼓，城中居民大呼，响声震天动地。耶律休哥继续率部猛攻，这时宋军才发觉已被包围，又无法抵抗辽军的猛攻，只能纷纷后退。耶律沙从后面追击，而休哥与斜轸两军也对宋军实行超越追击。
宋军大败，死者万余人，连夜南退，争道奔走，溃不成军，赵光义与诸将走散，诸将也找不到各自的部下军士。赵光义的近臣见形势危急，慌忙之中找了一辆驴车请赵光义乘坐，急速南逃。耶律休哥时已受重伤，昏死过去，不能骑马，左右用轻车载着他，代他发号施令，继续追击。一直追到涿州城下，获得兵器、符印、粮草、货币不可胜计。
高梁河一战，宋军伤亡数万，元气大伤。此战失利，宋太宗负有不可推卸的责任。赵光义被攻克太原的胜利冲昏了头脑，对辽军的实力及其拥有大量骑兵的情况估计不足，在部队疲困交加的形势下，仓促出兵，企图以突然的行动、优势的兵力数量，一举袭取幽州地区。这种轻率鲁莽、侥幸取胜的投机举动，最后遭到失败乃是情理中事。他急于求成，贪功冒进，以疲惫之师攻击坚城，对敌情了解不够。另外对辽军的援兵估计不足，没有做好阻援的准备，最终导致腹背受敌，大败而回。高梁河战役是宋辽之间的第一次大规模正面交锋，这次战役失利使得宋对辽国在心理上处于了劣势，尤其对辽军骑兵的冲击力非常忌惮。
高粱河一役作为辽宋关系的重要转折点直接造成了日后的宋连战连败，到澶渊之盟，至此宋朝对辽国基本上都是处于被压制的状态，更谈不上收复燕云十六州了。而燕云地区不能收复，中原无险可守，门户大开，使得北宋一直处于北方骑兵的威胁之下，并最终导致在靖康之变中亡国。
