线以北，即为辽朝控制的幽云地区，战略地位极为重要。
幽云十六州中，位于太行山北麓东南的檀、顺、蓟、幽、涿、莫、瀛七州被称为“山前”，而太行山西北的儒、妫、武、新、云、朔、寰、应、代九州则被称为“山后”。辽朝对幽云地区特别是幽州（今北京）极为重视，不仅派大丞相、南京留守韩德让和大将耶律斜轸率兵防守，还在隋唐蓟城的基础上对幽州城进行了大规模的扩建，使其成为方圆36里、城高3丈、宽15丈、人口30万的陪都和军事、政治重镇。
宋军在消灭北汉时，在太原集结了数十万部队，并在白马岭之战中击退了支援北汉的辽军。赵光义企图乘战胜的余威，一举夺取幽云地区，实现国家的完全统一。然而，这一雄心勃勃的计划却遭遇了辽朝的顽强抵抗。
二、战役准备：宋军的集结与辽军的部署
在北汉刘继元投降后，宋太宗赵光义立即转兵北上，意图乘胜追击。然而，此时宋军内部却出现了分歧。许多将领认为大军云集，粮储 不 及 ，不宜继续深入。但赵光义却力排众议，坚持北征。他下诏发京东、河北诸州军储，限期转运至镇州北面行营以备供应，并严厉处置了未能按时到达指定地点集结的扈从六军。
而辽朝方面，早在宋军进攻北汉时就已经对燕地的防守进行了部署。当韩侼、耶律善布、耶律沙等救援北汉时，辽朝已经增派北院大王耶律奚底（又译“耶律希达”）、将领萧讨古和乙室王撒合（伊实王萨哈）等率兵戍守燕地。这些部署表明，辽朝已经预见到了宋军可能的进攻，并做好了充分的准备。
三、战役过程：宋军的攻势与辽军的反击
（一）宋军的快速推进
五月二十日，宋军从太原分路东进，翻越太行山，二十九日抵镇州（今河北正定），进入河北平原。六月初七，赵光义调发京东、河北诸州的武器装备和粮秣运往前线。六月十三日，赵光义自镇州出发，十九日次金台屯，募民百人为向导，二十日至东易州（时宋辽各置一易州，西属宋，东属辽）之西，过拒马河入辽境。辽易州刺史刘宇、涿州判官刘厚德相继献易州、涿州投降宋军。
宋军的推进速度极快，六月二十三日，赵光义大军至幽州城南，驻跸宝光寺。此时，辽南京（宋称幽州，辽为南京析津府所在）的守将为权知南京留守 事 韩德让以及权知南京马步军都指挥使耶律学古。另有辽北院大王耶律奚底与统军使萧讨古等军在城北屯扎。宋军先锋东西班指挥使傅潜、孔守正巡哨城北，在沙河遇到辽军，并大败辽军，生擒五百余人。
（二）耶律斜轸的诱敌之计
辽南院大王耶律斜轸屯兵得胜口（今河北昌平天寿山西北），看宋军锐气正盛，不敢与之直接冲突，便趁着耶律奚底新败，在得胜口用青帜伪作收容溃军之状以诱敌。赵光义得到探马报告后，便有轻敌之心，麾 军 继续攻击。宋军将士乘胜追击，斩首千余级。然而，耶律斜轸却抓住机会突然袭击宋军后方，宋军败退，与斜轸军对峙于清沙河（今北京城北二十里）北。
（三）宋军的围攻与辽军的坚守
六月二十五日，宋军看出耶律斜轸兵力不足，只是据险而守，仅能声援幽州之敌，便只留一部兵力与之对峙，而用大军围攻幽州城。然而，幽州城坚固异常，宋军围攻多日未能破城。同时，辽南京被围的消息也震惊了辽朝上下，辽顺州守将刘廷素、蓟州守将刘守恩相继率部降宋。
（四）耶律休哥的奇兵突袭
辽景宗耶律贤于六月三十日闻知南京被围，耶律奚底、萧讨古、耶律斜轸等军虽未大败，却不能进援，只能声援。于是，他急遣南府宰相耶律沙率兵往救，并任命特里兖（官名）耶律休哥（又译休格）为统帅，率领五院军之精锐驰赴前线。
七月初六，耶律沙大军至幽州，与宋军展开激战。虽然耶律沙力战不支而败退，但宋军也早已疲惫不堪。此时，耶律休哥率军出其不意间道而来，人人手持火炬直冲宋军。宋军不知其多寡，未等接战心里已经发怵，不敢接战，欲据高梁河为抵御之计。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，他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。
战斗激烈异常，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。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。
（五）赵光义的败逃与宋军的撤退
赵光义在战斗中与诸将走散，诸将也找不到各自的部下军士。在形势危急之下，赵光义的近臣慌忙之中找了一辆驴车请赵光义乘坐，急速南逃。耶律休哥虽然身受重伤，但仍然坚持追击宋军，一直追到涿州城下，获得兵器、符印、粮草、货币不可胜计。
赵光义于七月初七日天明之后到达涿州城外时，宋军的败兵还没到。他又绕过涿州城直奔金台屯。初九日，赵光义见诸军仍然未到，便派人前往探察。此时他才知道诸军仍在据守涿州，并且有策划立太祖子武功郡王德昭的事。于是，他急命崔翰前往传诏命班师。
四、后续发展：北宋的防御与辽的攻势
赵光义为防备契丹乘胜南侵，命殿前都虞侯崔翰与定武节度使孟玄喆屯兵定州，河阳节度使崔彦进屯兵关南，云州观察使刘廷翰为都钤辖与彰德节度使李汉琼屯兵镇州。以上诸军都由刘廷翰指挥并得便宜行事。然而，赵光义仍然对诸将不放心，又授诸将阵图，命令他们如果契丹来犯，须按图布阵。
尽管北宋在高梁河之战中遭受了重大挫败，但赵光义并未放弃统一幽云地区的梦想。此后，北宋多次对辽朝发动进攻，但均未取得显著成果。而辽朝则趁机加强了幽云地区的防御力量，巩固了对这一地区的控制。
高梁河之战不仅暴露了北宋在军事上的不足和将领之间的分歧，也显示了辽朝在军事上的强大和坚韧不拔的精神。这场战役对于北宋和辽朝的历史进程产生了深远的影响，成为两国关系史上的一个重要转折点。