辽景宗耶律贤于六月三十日知道南京被围，耶律奚底、萧讨古、耶律斜轸等军虽未大败，但却不能进攻。于是急忙调遣南府宰相耶律沙率兵救援，特里兖(15)耶律休哥主动请缨，辽景宗便以休哥代替奚底统帅五院军的精锐部队奔赴前线。

七月初六，耶律沙大军到达幽州，赵光义命各路军队攻击，两军战于高梁河，耶律沙力战不支败退。

不过，当时的宋军连续二十日不停歇地猛攻幽州城，自身也早已精疲力竭。这一次，宋军虽然战胜了辽军，且一路追杀溃逃的辽军残部。但他们从中午一直追到傍晚，只追了十余里。更令赵光义始料未及的是，辽军后援耶律休哥的大军不知何时从天而降，并且人人手里都举着火把。赵光义不知道辽军有多少人，还没应战，就已经开始发怵了。

耶律休哥先收编了耶律沙的败军，对耶律沙稍做安抚后，又命令他回去再次应战。耶律休哥与耶律斜轸则各自统帅精锐骑兵，从耶律沙的左右翼乘夜夹攻宋军，由此形成了两翼包围的钳击之势。

这一仗耶律休哥身先士卒，虽然多处受伤，但依然死战。不久，援军到达，耶律学古大开城门四面鸣鼓，还令城中百姓大声呼叫，城内顿时震天动地。耶律休哥继续率部猛攻，宋军被重重包围，且无法抵抗辽军的猛攻，只能节节败退。

此时，耶律沙从后面追击，耶律休哥与耶律斜轸两军则对宋军实行猛烈追击。宋军大败，死伤万余人。黑暗中，宋军被打得乱成一锅粥，连忙向南撤退。慌乱中，赵光义与诸将士走散，士兵们也找不到各自的首领，一个个像无头的苍蝇一般乱撞。赵光义的近臣见形势危急，连忙找了一辆驴车带着赵光义往南逃去。