接着，耶律休哥帮助被打退的耶律沙部迅速完成整顿，让耶律沙部作为前部，继续与宋军对峙。
耶律休哥与辽南院大王耶律斜轸，两位军事达人，又做了严密的军事分工：趁着夜色，兵分两翼，对宋军形成三面合围，将宋军来个包饺子全歼。
正在与耶律沙部激战的宋军，突然遭到辽将耶律休哥与耶律斜轸的左右两路攻击，顿时慌了神，阵脚大乱，赵光义急忙调动围城的部队前去迎敌。
围城的宋军一撤，幽州城的包围，自动解除。幽州城内的主将韩德让和耶律学古，见宋军后退，知道援军已到，便大开城门，四面鸣鼓，列阵迎战。幽州城内居民也跟着大声欢呼，声震天地。
辽军铁骑手中钢刀飞舞，火炬乱飞，赵光义是想一举将耶律沙部彻底灭掉，他没有料到会钻进辽军的口袋阵。迎面是耶律沙，右翼是耶律休哥，左翼是耶律斜轸，背后又传来震撼大地的鼓声，耶律学古带着城内的守军杀来，宋军遭到辽军的四面夹击。
夜色之中，喊杀连天，远近高低密密麻麻到处都是火把，没有人知道到底有多少契丹援军，已经困怠多日的宋军在心理上就先输了。
打仗是要讲究战法和阵法的，什么五虎群羊阵六丁六甲阵七星北斗阵八门金锁阵，面对如狼似虎的辽军，此时的宋军一阵不阵，已全无套路可言，只能机械被动地应战。辽兵刀狠马快，再配上时不时的暗箭，宋军将士一批一批的倒下，不大的高粱河区域，瞬间成了人间的绞肉机。
耶律休哥身先士卒，他想来个斩首行动，万马军中，杀了数个来回。功夫不负有心人，终于冲到大宋天子赵光义的驾前，见到一个穿皇袍的人，一刀劈了过去，却发现是个假皇帝。气得耶律休哥哇哇大叫！身受三处创伤，耶律休哥依然纵马冲杀在疆场。
战斗打了整整一夜，有传记记载：耶律休哥单枪匹马突然冲到化了妆的赵光义面前，这回是真的，抡刀就砍，险些要了宋朝皇帝的小命。在此危难之际，负责押运粮草的左领军卫大将军兼领郑州防御使杨业，正巧与六郎杨延昭赶到，及时救驾，赵光义这才躲过了一劫。
七日黎明，赵光义在慌乱中到处躲藏，甚至找不到马匹骑乘，辽兵四处放箭，一不小心，赵光义的大腿上被射中了两箭。
赵光义安排扈从北征的原吴越王钱俶御龙直指挥使高琼与军中吹鼓手殿后，大驾开始绕过城西，向南仓皇撤退。
好像是老天故意安排好的，有人竟然发现了一辆辽军的驴车，左右将赵光义扶上驴车。当时六班扈从都没跟上，只有高琼最先率部跟上，在铁骑军指挥使呼延赞等人奋力掩护下，赵光义赶着驴车逃跑。
赵光义手握缰绳，以创历史记录的驴车车速，奔向琢州，样子那叫一个狼狈。小毛驴永远都不会知道，有朝一日，它竟然能和大宋皇上赵光义一起，被历史所铭记。
看到皇帝开溜，宋军失去指挥，群龙无首，军心大乱，宋军的东面围军南面围军听闻皇上南撤，也纷纷跟着撤退。
辽将耶律休哥因伤创不能骑马，坐轻车率军，乘胜追击三十余里，宋军溃不成军，抛下所有的辎重，仓皇而逃，就恨爹妈没给自己多生两只脚。史称契丹获兵仗符印粮馈货币，不可胜
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计。
一个驾着驴车玩命地逃，一个坐着马车在后猛追。小毛驴远超契丹战马，跑出了奥运会的水平，赵光义由此在后世得了一个高粱河车神的浑号。
辽军追至涿州（今河北涿县），耶律休哥见无法追上，怕中埋伏，命令大军停止追击，胜利凯旋。
《辽史》载：宋主遁去，休哥以创不能骑，轻车追至涿州，不及而还。
《续资治通鉴》云：太宗自燕京城下军溃，北虏追之，仅得脱。凡行在服御宝器尽为所夺，从人宫嫔尽陷没。上股中两箭，岁岁必发，其弃天下竟以箭创发云。高粱河一战，赵光义大腿上有两处入骨的箭伤，每年都会复发，疼的时候都无法上朝，成为困扰他一生的顽疾，也成为他日后病死的主要原因。
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强弩之末，势不能穿鲁缟也。宋军虽然兵强马壮，战将如云，但是架不住大半年的杀伐折腾，再凶猛的野兽，也要给它足够的休养生息时间，才能满血复活，否则，就是一只病猫。
高梁河之战，是宋辽之间的第一场大战，宋辽两国本来实力相当，宋军被打了个措手不及，一个字形容就是乱。乱到什么程度？兵找不到将，将找不到兵，君找不到臣，臣找不到君。结果就是辽军大胜，宋军大败。
宋军战败的主要责任应该要由赵光义来负，败就败在宋军征战太久，身心疲惫，士气低落；再加上赵光义不懂军事，外行指挥内行，行事仓促，指挥失当，无法组织有效的进攻，只靠人海战术，步兵在骑兵面前，血肉之躯怎抵得冲撞践踏，因此落败；在兵力部署上，宋军没有打援部队，被人包了饺子，这也是失败的主要原因；打不赢就跑，赵光义又犯了严重