在此紧急关头，忽听南面炮响，大队辽军喊杀而至。耶律沙定睛一看，知道是耶律休哥率领援军赶到，不由得喜出望外。原来耶律休哥受命之后，率军自虎北口而入，绕道西山，日夜兼程而进，从近道席卷北上，出人意料地抄了宋军的后路。宋军发现腹背受敌，阵势一阵大乱。宋太宗大惊之下，急命宋军加紧前突，想尽快杀败耶律沙，免受辽军两面夹击之苦。正在此时，北面喊杀声大震，又有一队辽军加入战斗，原来是集结在清沙河北的耶律斜轸军得到战报后，突破宋军封锁而来。耶律斜轸率军与耶律沙会合一处，配合耶律休哥军形成左右两翼，奋力击杀宋军。

两支生力军的参战，使战场形势发生了急剧的变化。宋军由攻击转为防守，辽军则两翼配合，开始进行猛烈的反击。宋军将士由于长期连续作战，本已十分疲惫，斗志涣散，这时又被辽军左右夹击，顿时弄得晕头转向，陷入一片混乱之中。耶律休哥见宋军阵势大乱，带领一队骑兵杀入宋军阵中，左冲右突，直杀得宋军丢盔弃甲，四处奔逃。

天色渐渐黑了下来，幽州城内的守将耶律学古闻听援兵杀到，就打开城门，命令士兵燃起火把，列队鸣鼓助战。城内居民也乘势呐喊助威，呼声震天。战斗中的宋军将士看到远处火光闪烁，鼓声、喊杀声大作，慌乱中以为又到了一支辽军援兵，士气顷刻便被瓦解，再也无心恋战。许多士兵不听将领指挥，自顾自四散逃命而去。紧跟着宋军将士争相奔逃，宋军顿时全线崩溃。宋太宗在乱军中想稳住局面，制止颓势，周围却找不到一个部将，太宗势孤力单，也无从指挥。这时辽军从后面掩杀过来，宋太宗忽觉腿上疼痛，用手一摸，发现已中了两箭，鲜血直流。他骑不上马，仓皇中找了一辆驴车坐上，在随从的护卫下加鞭疾走，向南逃命去了。

宋太宗一直逃到金台驿，遇着殿前都虞侯崔翰带领一部人马赶到，即命崔翰前去整饬败军，部队这才稳定住。崔翰护卫着宋太宗率领前卫部队南撤，十一日退至定州（今河北定县）。宋太宗令崔翰及定武节度使孟玄酷等留屯定州，彰德节度使李汉琼屯守镇州，河阳节度使崔彦进屯守关南（北宋时称瓦桥关、益津关、淤口关以南地区为关南），并授予他们便宜行事的权力，防备辽军袭击。

耶律休哥在激战中身上三处负伤，不能骑马，就乘一辆轻车率军沿路追击宋军，一直追到涿州，见无法追上，只好下令回师。沿途宋军遗弃的大量兵器、粮草，悉为辽军所获。

宋太宗在顺利灭亡北汉的情况下，收复失地心切，不顾师疲兵散，不了解辽军虚实而贸然用兵，远程急进，单向突破，围城之后又缺乏打援部署，求胜心切，欲速而不达，终使收复幽云十六州的梦想变成了泡影。

高梁河战役后，雍熙三年（），宋太宗再次对幽云地区用兵，结果遭到同样的失败，从而彻底断绝了宋朝收复幽云十六州的希望。

澶渊之战

宋太宗两度进军幽州失败后，完全丧失了继续对辽用兵的勇气。他曾对大臣发表议论道：“国家若无内患，必有外忧，若无外忧，必有内患。外忧不过是边事，可以预先防备。只是奸邪难以觉察，若为内患，深为可怕。帝王当用心于此。”太宗按“内外相制”的原则，在京城周围屯驻数十万甲兵，以防“内患”；而在边境对辽则实行消极防御。这便是“守内虚外”政策。