随着耶律沙的一声令下，数万辽军骑兵举起马刀涉水过河向宋军冲杀了过来。赵光义没有像郭进那样选择与辽军对冲进而将辽军堵在河中央一顿暴打，而是就在河滩之上凭借重装步兵摆好的阵势与辽军展开了血战。辽军万马奔腾而来，而宋军的回应则是射向对方的漫天箭矢，在这之后，宋军的步兵方阵开始迎战辽军的骑兵。
当两军短兵相接以后，宋军的将士猛然发现这支辽军根本不像是在白马岭被郭进在瞬间打残的军队，也不像是耶律奚底手下的那支几乎不堪一击的军队。这些辽国人像是突然间脱胎换骨了一般，纵然他们被宋军的弓箭射倒了一大片，可他们仍然在不顾一切地向宋军发起冲锋。
在极致惨烈的近身肉搏中，宋军真实地领教了传说中的辽国铁骑是如何的勇不可当，这支辽军的战斗力和勇气都是他们之前所从未遇到的，这是一支真正的劲敌，是他们此前在南征北战之时未曾遭遇的铁血之师。可是，这一切并未把他们吓倒，在被辽军一顿横冲直撞搞得鼻青脸肿之后，宋军的战斗力也瞬间被激发。他们是五代以来战力最为强悍的汉人军队，他们是这些年里东征西讨再又南征北战先后攻灭数国的灭国之师，这些年来累积出来的不败战绩和强大的自信让他们无惧于天下的任何对手。
在躺倒了一大片之后，辽军总算是冲破了宋军的前沿步兵阵地，当他们开始向宋军的核心阵地发起冲锋并与第二梯队的宋军绞杀在一起之时，辽军骑兵的机动性也就此化为乌有。就在这时，宋军的铁骑出动了，此时几乎与步兵无异的辽国骑兵开始反过来承受宋军铁骑的猛烈冲击。自此，两军将近二十万人马在高粱河的河滩之上紧紧地绞杀在了一起。
这一战双方从中午一直厮杀到了黄昏，之前一直在幽州城下把自己累得要死的宋军面对从未有过的强敌充分展现了其勇武绝伦的战斗素养。这群养精蓄锐的辽国人尽管表现得极其勇猛善战，但在与宋军的这场惨烈的交锋中他们还是渐渐地感到力不能支。两军激战半日之后，这场战斗胜利的天平已然在向宋军倾斜，辽国人败象尽现开始向后溃退，这些日子以来早就成了久战疲惫之师的宋军用他们的钢刀和鲜血以及躺倒满地的辽军尸体证明了他们无愧于大宋帝国开国雄师的赫赫威名。
面对死伤惨重的残酷现实，辽军主帅耶律沙被迫下令全军撤退，他的军队再一次耻辱性地败给了宋军。旧仇未报又添新恨，耶律沙却不得不咽下这口恶气，因为他还要给自己留一口宝贵的元气，因为他很快还要另有作为。
结合后面发生的事情，这里我们有理由相信耶律沙这一次的主动攻击其原计划本应该是期望能够击败宋军进而乘势追击到幽州城下，然后再会同耶律休哥和耶律斜轸合击宋军，但无奈这一时期的宋军其军队的整体战斗力仍然处在巅峰状态，所以耶律沙只能吞下再次战败的苦果。不过，他显然不会特别的沮丧，因为此战辽军还有一个备方案，而这个方案的第一步就是向后撤退引诱宋军对其展开追击。
无论是真的被宋军给打残了还是有意进行战术性撤退，总之辽军都是撤退了。耶律沙掉转马头狂奔而去，而一直都绷紧着全身每根神经的赵光义则在渐渐趋于安静的战场上显得有些懵然。这是他生平第一次在战场上与真正意义上的强敌进行交战，亲眼见证敌军溃退的他对于突然到来的巨大胜利在心理上还有些准备不足。
先前双方近二十万人在他的眼前像一群狂暴的、毫无人性的野兽一般缠在一起相互砍杀的惨烈场景让他终于知道了什么叫战争。七月的盛夏酷暑难耐，而就在这烈日的烘烤之下是鲜血的喷洒与刀枪剑戟的剧烈碰撞，在惊天动地的喊杀声和死亡降临时的阵阵痛苦的哀嚎声中，他的身体在不自觉地颤抖，但现在他胜利了。在极度的激动、紧张和兴奋等情绪的相互交织下，这位战场初哥终于是以一个胜利者的姿态站在了满身鲜血和创伤的宋军将士的面前。他这也算是亲自指挥并打赢了一场规模宏大的野战，虽然他没有亲自冲锋，没有亲自杀人，可这场战斗的功劳会记在他的头上。
望着眼前向西溃散而逃的辽国人，赵光义的兴奋之情溢于言表，而他此时的心中想必更是有着与拿下太原时一样的万千感慨：哥哥啊！你看到了吗？我也上战场了，而且我还打胜仗了！我打赢的是辽国人，我打败了他们！
兴奋之余，赵光义伸出了此刻仍然显得还有些颤抖的手向全军发号施令：“传令下去，全军追击！”
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