休哥率领五院部精锐援军抵达幽州西北，于高梁河与宋军主力正面交锋。赵炅亲赴前线、临阵督战，两军血战至黄昏时分，辽将耶律沙所部率先溃败、向后撤退，宋军一时松懈、心生轻敌之意。
殊不知此乃辽军诱敌之计，夜色掩护之下，耶律休哥、耶律斜轸各率精锐铁骑，从左右两翼迅猛穿插、钳形夹击，骤然对宋军形成合围之势。宋军猝不及防、仓促调动围城部队迎战，幽州之围虽解，却彻底陷入辽军重兵包围之中。辽军铁骑往来冲杀、势不可挡，宋军阵型瞬间大乱、全线崩溃、兵败如山倒。
七月七日黎明，战局彻底溃败，赵炅在乱军之中不幸被流矢击中，大腿连中两箭、伤势惨重。危急关头，三军溃散、无人护驾，赵炅孤身突围、仓皇逃离战场，狼狈不堪。
帝王孤身逃亡，前线宋军彻底群龙无首、军心彻底瓦解，数十万大军四散奔逃、全线溃败。辽军趁势全线追击，一路追杀三十余里，斩杀宋军万余人，缴获宋军大量兵仗甲胄、军旗符印、粮草钱币、辎重物资，宋军军械粮草尽数遗失、损失极为惨重。
太宗御用行在的全部服饰宝器、御用之物，乃至随军俘虏的北汉后宫嫔御，尽数落入辽军之手，大宋颜面、军威扫地殆尽。
七月八日，赵炅带伤逃至涿州，深知辽军穷追不舍、危机未除，急命大将高琼驻守御营、假扮帝王替身迷惑辽军，自己则因腿伤剧痛、无法骑马，换乘驴车连夜向南狂奔、仓皇逃命，狼狈至极。
彼时辽军主将耶律休哥亦在激战中身受三处重伤、无法骑马，只能乘坐轻车督军追击，一路穷追至涿州，终究未能擒获宋太宗，方才收兵回撤幽州。
七月九日，赵炅逃至易州金台驿，方才得知数十万北伐大军已然全军溃散、彻底溃败。他急命殿前都虞候崔翰就地收拢溃散逃兵、收拾残部，自己不敢停留、继续连夜南逃。
七月十一日，赵炅逃至定州，确认辽军已然收兵北还，方才得以喘息、暂稳心神。七月十三日，自定州启程南归，一路奔波跋涉，直至七月二十八日，方才狼狈返回京城开封，第一次幽州高梁河之战，以大宋惨败彻底告终。
此战之后，赵炅复盘兵败得失，晚年曾自省坦言：“朕往岁既克并、汾，观兵蓟北，方年少气锐……往则奋锐居先，还乃勒兵殿后，静而思之，亦可为戒。”深刻反思自己年少气锐、急于求成、轻敌冒进、孤军深入的致命失误。
高梁河惨败之后的一年之内，辽军凭借大胜之势，屡次南下入侵大宋边境，在满城、
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