與白馬嶺之戰一樣，宋遼兩軍之間仍然是隔著一條大河，宋軍對面的遼軍主帥也仍然是耶律沙，不同的是耶律沙的對手變了比郭進大牌得多的趙義。宋軍在河灘上列好陣勢等待著遼軍的進攻，而耶律沙的軍隊裡這時候不再有耶律敵烈，但耶律沙卻已被耶律敵烈附了，他這一次的任務就是主向宋軍發起攻擊。
隨著耶律沙的一聲令下，數萬遼軍騎兵舉起馬刀涉水過河向宋軍衝殺了過來。趙義沒有像郭進那樣選擇與遼軍對沖進而將遼軍堵在河中央一頓暴打，而是就在河灘之上憑藉重灌步兵擺好的陣勢與遼軍展開了戰。遼軍萬馬奔騰而來，而宋軍的回應則是向對方的漫天箭矢，在這之後，宋軍的步兵方陣開始迎戰遼軍的騎兵。
當兩軍短兵相接以後，宋軍的將士猛然發現這支遼軍本不像是在白馬嶺被郭進在瞬間打殘的軍隊，也不像是耶律奚底手下的那支幾乎不堪一擊的軍隊。這些遼國人像是突然間胎換骨了一般，縱然他們被宋軍的弓箭倒了一大片，可他們仍然在不顧一切地向宋軍發起衝鋒。
在極致慘烈的近搏中，宋軍真實地領教了傳說中的遼國鐵騎是如何的勇不可當，這支遼軍的戰鬥力和勇氣都是他們之前所從未遇到的，這是一支真正的勁敵，是他們此前在南征北戰之時未曾遭遇的鐵之師。可是，這一切並未把他們嚇倒，在被遼軍一頓橫衝直撞搞得鼻青臉腫之後，宋軍的戰鬥力也瞬間被激發。他們是五代以來戰力最為強悍的漢人軍隊，他們是這些年裡東征西討再又南征北戰先後攻滅數國的滅國之師，這些年來累積出來的不敗戰績和強大的自信讓他們無懼於天下的任何對手。
在躺倒了一大片之後，遼軍總算是衝破了宋軍的前沿步兵陣地，當他們開始向宋軍的核心陣地發起衝鋒並與第二梯隊的宋軍絞殺在一起之時，遼軍騎兵的機也就此化為烏有。就在這時，宋軍的鐵騎出了，此時幾乎與步兵無異的遼國騎兵開始反過來承宋軍鐵騎的猛烈衝擊。自此，兩軍將近二十萬人馬在高粱河的河灘之上地絞殺在了一起。
這一戰雙方從中午一直廝殺到了黃昏，之前一直在幽州城下把自己累得要死的宋軍面對從未有過的強敵充分展現了其勇武絕倫的戰鬥素養。這群養蓄銳的遼國人儘管表現得極其勇猛善戰，但在與宋軍的這場慘烈的鋒中他們還是漸漸地到力不能支。兩軍激戰半日之後，這場戰鬥勝利的天平已然在向宋軍傾斜，遼國人敗象盡現開始向後潰退，這些日子以來早就了久戰疲憊之師的宋軍用他們的鋼刀和鮮以及躺倒滿地的遼軍證明了他們無愧於大宋帝國開國雄師的赫赫威名。
面對死傷慘重的殘酷現實，遼軍主帥耶律沙被迫下令全軍撤退，他的軍隊再一次恥辱地敗給了宋軍。舊仇未報又添新恨，耶律沙卻不得不嚥下這口惡氣，因為他還要給自己留一口寶貴的元氣，因為他很快還要另有作為。
結合後面發生的事，這裡我們有理由相信耶律沙這一次的主攻擊其原計劃本應該是期能夠擊敗宋軍進而乘勢追擊到幽州城下，然後再會同耶律休哥和耶律斜軫合擊宋軍，但無奈這一時期的宋軍其軍隊的整戰鬥力仍然在巔峰狀態，所以耶律沙只能吞下再次戰敗的苦果。不過，他顯然不會特別的沮喪，因為此戰遼軍還有一個備方案，而這個方案的第一步就是向後撤退引宋軍對其展開追擊。
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