30万宋军很快抵达幽州城下，幽州守军严阵以待，太宗御营驻于城南宝光寺，将全部兵力都投入了围城作战。辽军的前三支援军北院大王耶律奚底、乙室王耶律撒合、统军使萧讨古已快速增援幽州。宋军左右先锋傅潜、孔守正往城北方向巡视，在沙河遇上辽援军前哨，双方立即交火，随后各自主力部队迅速赶赴战场会战。奚底等辽军主将皆认为宋军势大，诸路大军应齐集沙河力敌。而宋军远道而来，求战心切，锐气正盛，诸路军听闻前哨在沙河方向觅得辽军主力，蜂拥而至，宋太宗本人也亲率御前殿直军赶赴沙河战场。辽军至多不超过10万兵力，怎敌这30万虎狼之师？战不多时，开始败退，太宗大喜，挥军追击。奚底等部纵横大漠数十载，从未见识过如此猛烈的攻势，纷纷向北狂奔，被宋军斩获甚多。眼见幽州的前三支援军就要败去之际，第四支援军赶到了，又是耶律斜轸！和白马岭战役中成功救出耶律沙一样，斜轸非常冷静，他首先避开宋军的锋锐，没有立即派兵出战，而是驻守得胜口（今北京昌平）。见奚底等部败退而来，也没有慌乱，而是树立青帜，做出收容败兵的姿态。太宗见状更加兴奋，向青帜方向猛攻。
而斜轸突出奇兵，袭击宋军后方。宋军正在猛追逃兵，未料会遭此突袭，被吓了一大跳，阵型发生混乱。斜轸趁机重新集结奚底等部的败军发起反击，将战线逼退至幽州城北仅20里的清河沿线，并沿河布防与宋军对峙。城内守军见援军并没有败走，而后续援军也已经开始赶到，军心稍定，韩德让趁机鼓动士气，鼓励诸军继续据城固守。宋军虽初战告捷，却未能一战成擒，大批辽军依然驻守在幽州城不远处，而且已经出现了四支援军，可以想象后续援军还在陆续赶来。事实上宋军的战略形势并不乐观，但太宗可能没有意识到这一点，依然坚持速战速决的理念，仍用30万大军将幽州团团围住，只派少量部队和城外援军对峙，而没有像唐太宗攻打洛阳那样派出部队驻守重要关隘，阻止契丹后续援军。这30万宋军在幽州围城，给了宋太宗这个理论家一个非常好的平台。只见他不辞辛劳，亲自为30万大军制定详细的设营布防和攻城作战方案，给每支营连级部队都配发了详细的“阵图”，诸部主将已经无需动脑，只需按照皇上配发的阵图调配本部人马，再等参谋本部发出指令，依令执行即可。
击败前四支援军后，太宗留少量部队与他们对峙，围城部队的阵图也布置妥当，宋军开始攻城作战。定国军节度使宋偓主攻南门，河阳三城节度使崔彦进主攻北门，彰信军节度使刘遇主攻东门，定武军节度使孟玄喆主攻西门，并提前任命潘美为知幽州府，其必夺之心，昭然若揭！这四支主攻部队各带万余兵力攻打城门，加起来最多也就只需要四五万兵力，那剩下二十多万人怎么办呢？有的用炮石攻城，有的用重弩向城内射击，更多的只能遥望友军作战，呐喊助威。毕竟，小小的一个幽州城，排不下30万宋军同时作战，宋太宗带齐这么多部队同时围城主要还是一个排场心理在作怪。宋太宗为了模仿他偶像的功绩，显示自己是此战的实际指挥者，多次亲临前线，视察攻城工作。宋军有些将领也深谙机关工作之道，纷纷给皇帝打表演战。剑舞营自不必说，多次在城下汇报表演大型军体操《剑神》，慰问了昼夜奋战在一线的双方将士。弓弩部队为了向太宗展示武器装备建设取得的新成就，把当时世界上最先进的床子弩、诸葛弩等自动武器统统抬出来，对着幽州城头就是一阵狂喷，一个时辰就喷了300万支弩箭，受到最高领导的高度评价。
当然，杀伤辽军数量史书上没有显示，估计是都藏好了，所以没有人受伤。其实这个时候最能出彩的当属炮兵部队，宋初还没有火药驱动的火炮，火球炮是南宋才发明的，当时的“炮”应该是指投石机。这可不是现代的自行火炮，不能预先制造，必须在城下现场打造。太宗下令当场赶制800台大炮，半个月完工！当然，作秀归作秀，仗还是要打，30万宋军就算有二十多万都在作秀，有那几万精锐宋军来攻城也够韩德让忙了。宋军的大兵团集团作战水平确实很高，攻城战也很专业，使出各种攻城战术，登云梯、擂城门、垒土山、挖地道，无所不用其极。韩德让也是深通兵法，绞尽脑汁，百般设计，将攻势一一化解。城内的辽军奋死抵抗，城外的援军被宋军层层阻隔，无法靠近城郭。逐渐，守军和寸步难移的援军都开始丧失信心，甚至开始出现投降。首先是援军方面斜轸部下的渤海军主帅大鸾河率领渤海军降宋。渤海军算是辽帝国的少数民族部队，战斗意志和忠诚度都不是很可靠，所以率先投降。
但第二个投降的人竟然是辽帝国铁林军都指挥使李扎卢存！铁林军是辽帝国最精锐的部队，与后来西夏帝国的“铁鹞子”、金国的“铁浮屠”并称为宋代三大经典重甲骑兵团，在辽军体系中所占的地位也不言而喻。这支部队中竟然有高级指挥官率部投降，可想而知对辽军的心理打击有多么严重！他的投降给辽军的士气带来了毁灭性打击，辽顺州守将建雄军节度使刘廷素、蓟州守将刘守恩相继举城纳降，南京正式成为一座孤城，形势岌岌可危。就在此时，第五支援军御盏郎君耶律学古率部赶到。史载此人为契丹第一博学之士，精通辽、汉两种语言，对诸子百家均有涉猎，尤其精通奇门遁甲之术。他赶到清河见耶律斜轸等部驻守清河，遥望南京，却不近城救援，忙问何故。斜轸等人均表示宋军规模庞大，又依照宋太宗阵法布置，层层阻隔，变化无穷，无论如何也冲不破屏障，只能被挡在阵外。学古登高俯瞰宋军阵型，果然高妙无穷，但他也没有灰心，而是仔细观察宋军阵型变化的规律，画成图形刻苦研究。经过几昼夜的钻研，学古终于研究出了宋军大阵中的可乘之机，率领本部精骑快速穿过宋军几个薄弱环节，在宋军的一片叫骂声中被目送入城。
（有些史书上说是挖地道进城，似乎不太现实。）这是开战以来第一支进入南京城内的援军！已经快要被压垮的韩德让激动得声泪俱下，城内守军更是一片欢声雷动！太宗勃然大怒，向清河的援军和城内的守军发起猛攻。此时此刻，即便是耶律斜轸也抵挡不住，激战一整天，辽军大败，伤亡惨重，退却数十里，不过依然没有逃散，而是继续坚守在南京城的视野范围内，声援城内守军。事实上，这也就是他们能够做的全部事情了。之后，太宗又回到城下，亲自督战猛攻城门。韩德让和耶律学古齐心协力，化解了宋军一次又一次的攻势。其中尤为惊险的一次，宋军有300人的前锋部队登上城头，耶律学古亲率部众前往力战，先抵住这帮人的第一波攻势，再切断他们的后援，最终以数倍伤亡将这300人擒下。还有一次宋军掘地道入城，韩德让却已经考虑到宋军有可能来这一手，在城内建立了监听系统，及时发现了宋军的掘进，引水淹掉了宋军地道。这时第六支援军又已经赶到，驻守西京大同府的南府宰相耶律沙已经放弃山后防线（其实宋军都集中在幽州，山后本来就不需要防守），率领数万大军前来营救南京，太宗亲自率军前往高梁河迎战。
耶律沙虽在白马岭战役中见识过宋军步兵方阵的厉害，但此刻急于救援，无奈硬着头皮冲阵。结果自不必多说，辽军骑兵冲锋过程中先被宋军弩箭射倒一大片，好不容易冲到阵前又被重步兵抵住动弹不得，然后宋军从侧翼上来一阵狂砍，再然后耶律沙率领没死的人开始跑路。但耶律沙逃离战场后，宋军的追击却并不猛烈，其实这是一个暗藏的危险信号：宋军从围攻北汉开始，连续激战又连续强行军，已经有好几个月，中途没有任何休整和轮换，纵是铁人，也该感到疲惫了。这一次，宋军最精锐的御前殿直军竟然用了整整一下午，只追击了耶律沙10里路。
而且没有追到，到了吃晚饭的时间，又开始拖拖拉拉地往回走。双方的实力差距再大，宋军也不能这样不在乎自己正处于危险的战场上。在打得幽州城内守军伸不出头来，援军也纷纷败退之时，辽军的士气已经濒临崩溃，甚至辽帝国的高层也开始丧失信心，准备放弃南京，退守关外了。宋太宗的宏伟蓝图即将完成，他距离他的偶像唐太宗只有一字之差了！然而，就在这一夜，一颗璀璨夺目的将星突然之间划破长空，在幽州城上升起，将高梁河照得透亮。出乎宋太宗，乃至整个宋朝人民的意料，一个中原人民从未遇到过的可怕对手已在赶赴幽州的路上，他的出现将会使这一字之差变成新千年人类文明走势的重要转折点。
