这次，赵光义吸取了第一次幽州之战的教训，集中了优势兵力，三路并进，分进合击，企图在幽州地区聚歼辽军主力，一举收复燕云十六州。东路军虽是主力，但在中西二路没有取得战果以前，主要担任佯动，赵光义特别交待曹彬等人：“潘美之师，但令先趋云应，卿等以十余万众声言取幽州，且持重缓行，毋贪小利而要敌，敌闻大兵至，必萃劲兵于幽州，兵既聚，则不暇为援于山后矣。”宋军的战略意图是以东路军将辽军主力吸引在幽州以南地区，使其无暇它顾，待中西二路取胜后，再会攻幽州。

1月21日，三路宋军先后出发，由于采取了严格的保密措施，辽国方面直至3月6日才得到消息，针对宋军的分进合击之势，承天太后萧绰决策，集中兵力先对付威胁最大的宋东路军，寻机将其歼灭后，再转移兵力对付力量较弱的中西二路。以南京留守耶律休哥率军先发，东京留守耶律抹只作为后继；山西兵马都统耶律斜轸增援山后诸州，对付田重进和潘美；以林牙耶律痕德守备平州海岸，防备宋军可能从海上进行的袭击，同时征发全国诸道兵马，集中到幽州以北的驼罗口作为总预备队。

三月初，各路宋军转入进攻，起初进展颇为顺利。西路军潘美所部出雁门关西口北上，南败辽军一部，斩首五百余级，神卫右第二军都指挥薛超在寰州再败辽军，辽国寰州刺史赵彦辛投降，3月13日，宋军占领朔州，3月19日占领应州，4月13日占领云州，军锋直指蔚州。3月9日，中路军田重进进至飞狐北，辽国冀州防御使大鹏翼、康州刺史马赟、马军指挥使何万通率军二万人迎战，双方众寡悬殊，但宋军士气高昂，閤门使袁继忠、蕲州刺史谭延美、龙猛副指挥使荆嗣、裨将黄明等人奋勇争先，战至日暮，大败辽军，生擒大鹏翼，3月23日，辽国飞狐守将定武军都指挥使、郢州防御使吕行德、副都指挥使张继从、马军都指挥使刘知进等人投降。3月28日，宋军包围灵丘，守城的步军都指挥使穆超投降，4月17日，宋军进至蔚州，左右都押牙李存墇、许彦钦杀节度使萧啜里，逮捕监城使耿绍忠，投降。

中路军曹彬所部3月5日占领固安，3月13日占领涿州，3月17日，曹彬以勇将李继宣为前锋，率轻骑渡过涿水，歼灭辽军千余人，斩辽国奚部宰相贺斯。这时，辽国援军未到，耶律休哥因兵力不足，所以不与　曹彬正面接触，只是想方设法迟滞宋军的行动，昼出精锐虚张声势，夜遣轻骑袭扰，同时又派部分兵力设伏宋军侧后，断其粮道。这一招果然奏效，曹彬的十万大军占据涿州不过十余天，就因粮食不足而退返雄州，如此一来，就为辽军主力赶到后聚歼宋军赢得了时间。

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