六月十三日，宋太宗率军从镇州出发。宋军刚北进，随从六军有的就不按时到达，露出了军心涣散的苗头。宋太宗想整顿军纪，这时有一个禁军将领说，敌未殄灭时不应诛谴将士，以免动摇军心。宋太宗听从了他的意见，没有对这种纪律松弛、行动不一致的现象加以制止。这样一来，军纪就更加松懈了。

十九日，宋军进入辽境，迅速占领了金台（今河北易县东南）。此后宋军以每天百里的速度开进，其间只遇到小股辽兵的抵抗。辽岐沟关（今河北涿县西南）和涿州（今河北涿县）的守将又先后开城投降，宋太宗率军直进，没费吹灰之力就于六月二十三日黎明抵达幽州城南。

辽军南院大王耶律斜轸（一作色珍）看到宋军兵锋甚锐，不敢正面交锋，便率军驻屯得胜口（今北京昌平北）诱敌。宋太宗一路节节胜利，也未免有些轻敌情绪，即命令宋军进击，辽军抵挡不住，伤亡千余人。但耶律斜轸趁此机会率领一部人马悄悄绕到宋军后阵，使宋军腹背受敌。宋军不得已后撤，停止了进攻。耶律斜轸乘势进驻清沙河北（今北京清河镇附近），待机而动。

宋军未能全力夺取得胜口这一要点，反而使幽州与得胜口、清沙河结成犄角之势，大大提高了辽军坚守幽州的决心。宋太宗认为耶律斜轸一军只能凭险据守，不会再对宋军构成什么威胁，就留下少部分兵力牵制其军，而把主力集结在幽州城下，二十五日对幽州展开围攻。

宋军兵分四部，从四个方向同时向幽州城发动攻击。宋太宗亲临阵地，监督指挥宋军攻城。城内辽军在守将耶律学古、韩德让的指挥下奋勇抵抗，使宋军付出重大伤亡，攻而不克。

六月三十日，宋太宗率军合围幽州的消息传到辽都城上京。辽景宗耶律贤闻报后心慌不已，打算放弃幽州，退守松亭关（今河北喜峰口）、虎北口（今河北古北口）。这一主张提出后，立即遭到许多大臣的反对。北院大王耶律休哥站出来坚决劝阻，并请求率兵十万前去解幽州之围。辽景宗见群情激昂，就接受了耶律休哥的建议，命他与南京（即幽州）宰相耶律沙统军越过燕山增援幽州。

由于城内辽军的顽强抵抗，自六月二十五日到七月初五，宋军连攻十一天未能把幽州城攻陷。昼夜连续作战使宋军将士疲惫不堪，许多人都丧失了继续战斗的勇气和信心，不愿再往城下冲了。宋太宗本想速战速决，却不料低估了守城辽军的力量，出现这种情况，不免心急如焚，于是强令宋军继续攻城，宋军的斗志更加涣散。

七月初六，正当宋太宗督军攻城时，耶律沙率援军到达幽州外城。宋军探卒飞马把这一情况报知宋太宗，太宗听后说：“我军先去迎击敌援，杀败了他们，再来攻城就无后顾之忧了。”随即率大军向外城掩杀过去。

宋军与耶律沙援军在高梁河畔（今北京外城）遭遇，即展开激烈的厮杀。双方金鼓齐鸣，旌旗飞舞，直杀得天昏地暗，鬼哭神号。宋军人数毕竟占优，战至黄昏，辽兵伤亡惨重，渐渐不支，耶律沙率军向后撤退。宋太宗眼看胜利在望，立即挥动令旗，命令宋军前进追击。