这时，在宋军围攻下，幽州人心动摇，降者相继，韩德让也非常惊慌，6月25日，赵光义亲自部署对幽州展开围攻，定国军节度使宋渥攻南面，河阳节度使崔彦进攻北面，彰信节度使刘遇攻东面，定武节度使孟玄喆攻西面（孟玄喆是后蜀皇帝孟昶的太子），针对幽州高厚的城墙，赵光义还让右龙武将军赵延进督造礟具八百以备攻城之需，限期八日完成。为防辽军救援，另以桂州观察使曹翰、洮州观察使米信率所部屯于幽州城南，作为战略预备队。宋军四面攻城，声势浩大，飞矢如雨，鼓声震地，赵光义也以为幽州旦夕可下，便提前任命宣徽南院使潘美知幽州行府事，但就在此时，耶律学古从山后回军增援，“穴地进城”，巩固了幽州城防，稳定了人心，宋军一部三百余人，乘夜登上城垣，也被耶律学古击退。

6月30日，也就是幽州被围六天后，正在游猎的辽景宗耶律贤才得到消息，大敌当前，契丹民族的安危决于一线，面对危局，有人居然主张放弃幽、蓟，退守松亭和北岸口。关键时刻，耶律休哥挺身而出，力排众议，认为幽州绝不可轻易放弃，并请求亲率精骑五千前往救援，如果不能取胜，再撤退不晚。辽景宗支持了他的意见，斥责统军使萧讨古：“卿等不严侦候，用兵无法，遇敌即败，奚以为将？！”即命耶律休哥代替耶律奚底为北院大王，率领五院兵马南下，会合耶律斜轸解幽州之围。此前，辽南府宰相、太保耶律沙奉命救援北汉，白马岭败后，率军返回，刚好与耶律斜轸会师。

五院兵马就是辽国的部族军，共四个营，“部隶南府，以镇南境”，也算是精锐部队，受命后，耶律休哥率军日夜兼程，自古北口南下，绕道西山，直扑幽州。7月初，宋军对幽州的攻势越发猛烈，赵光义移驾城北，连续三次亲督诸将攻城，7月3日和5日，镇守顺州的辽国雄武军节度使刘延素、知蓟州事刘守恩相继投降，幽州形势危急，但宋军连日苦战，攻城不下，军心不免懈怠，曹翰、米信所部在城南掘土得螃蟹，曹翰分析说“蟹，水物而陆居，失其所也，且多足，敌救将至之象；又，蟹者，解也，其班师乎？！”此事或许是后人附会，但反映了宋军的心理，可赵光义的注意力全被幽州吸引，居然未作任何阻援部署。

7月6日，赵光义再次上阵，指挥攻城时，耶律沙的援兵突然从沙河赶到，在幽州北门外的高梁河袭击了攻城的宋军，虽说事出意外，但宋军毕竟兵多将广，鏖战到黄昏时分，辽军渐呈不支。入夜，就在宋军胜利在望时，耶律休哥和耶律斜轸的两路大军赶到了，分左右翼同时向宋军发起猛攻，耶律休哥的五千契丹铁骑“人持两炬、高举双旗”，如猛虎下山，势不可挡，慌乱中，宋军不知辽军多寡，军心动摇。幽州城内的耶律学古见援兵已至，开门列阵，四面鸣鼓，猛攻宋军，幽州居民也出来助阵，呼声震动天地，耶律休哥本人更是身先士卒，奋勇向前，辽军士气大振，无不以一当百，誓死相拼。