关于宋军的实际兵力，向无确切记载，各书只说是“控弦之士数十万”。北宋平定南方后，辖有二百九十七州、一千零六十八县、三百零九万户，军队员额三十七万八千人，其中禁军十九万三千人，赵光义时期，北宋兵员总数突破六十六万六千人，其中禁军三十五万八千人，但战斗力较赵匡胤时期有明显下降，“所蓄之兵，冗而不尽锐；所用之将，众而不自专”，除禁军和蕃兵外，厢军、乡兵大多不堪作战，灭北汉虽得到降兵三万，但“众心不附、尚怀疑惧”，不可能参与攻辽作战，因此除去战斗伤亡和各地的留守部队，北宋能用于收复燕云十六州的兵力似乎不应超过二十万人。

幽州是辽国的陪都和南方的军事政治中心，曾在隋、唐两代蓟城的基础上进行过大规模扩建，当时幽州方圆三十六里，城高三丈，宽一丈五尺，共有八座城门，人口三十万，守军兵力不详，但至少应有数万人，由辽国权知南京留守事韩德让、南府枢密使耶律斜轸、权南京马步军都指挥使、御盏郎君耶律学古和知三司事刘弘镇守。北汉灭亡后，辽景宗又增派北院大王耶律奚底、统军使萧讨古和乙室王撒哈等人率兵加强防务，幽州本为辽国南京，城高而坚、粮秣充足，防御十分稳固。

5月20日，宋军主力从太原分路东进，翻越太行山，于29日进抵镇州，6月7日，曹彬调发京东、河北诸州的武器粮秣运到北面行营，13日赵光义亲率大军从镇州出发，经保州北上，许多宫嫔也随军行动，当时“扈从六军有不即时至者”，赵光义本欲治罪，但马步军都军头赵延溥说：“陛下巡幸边陲，本以契丹为患，今敌未灭而诛将士，若举后图，谁为陛下戮力乎？”赵光义收回成命，由此军纪荡然。

6月19日，宋军进入辽国控制区，占领金台顿，以日行百里的高速向北推进，兵锋甚锐，次日，前锋的东西班指挥使傅潜、孔守正已进至歧沟关，宋军以赐钱二千为诱饵，招募当地人为向导，乘夜“踰短垣、过鹿角”，占领了关外的断桥，辽东易州刺史刘禹投降，宋军留千人守城，继续北进。辽北院大王耶律奚底、统军使萧讨古和乙室王撒哈在沙河布防，傅潜、孔守正鼓勇进攻，击败辽军，俘虏500余人，6月21日，宋军围涿州，辽涿州判官刘厚德投降，23日黎明，宋军先头部队已抵近幽州城南。

进展如此顺利，大概也超出了赵光义的预想，这位自命不凡的皇帝将御帐设在城南的宝光寺。当时，辽南院大王耶律斜轸率骑兵万余人控制着幽州城北的战略要地－得胜口，赵光义为了孤立幽州，“躬擐甲胄”，率军往攻，皇帝亲自上阵，宋军自然是勇气百倍，一个冲锋就斩首千人，耶律斜轸见宋军攻势猛烈，便采取诱敌之计，让士卒换用被宋军轻视的耶律奚底所部的旗号，同时分兵一部抄袭宋军侧背，赵光义见势不妙，这才命令宋军停止进攻，退回城南，耶律斜轸趁机进至清沙河以北，遥为幽州声援。