而斜軫突出奇兵，襲擊宋軍後方。宋軍正在猛追逃兵，未料會遭此突襲，被嚇了一大跳，陣型發生混亂。斜軫趁機重新集結奚底等部的敗軍發起反擊，將戰線逼退至幽州城北僅20裡的清河沿線，並沿河佈防與宋軍對峙。城內守軍見援軍並沒有敗走，而後續援軍也已經開始趕到，軍心稍定，韓德讓趁機鼓動士氣，鼓勵諸軍繼續據城固守。宋軍雖初戰告捷，卻未能一戰成擒，大批遼軍依然駐守在幽州城不遠處，而且已經出現了四支援軍，可以想象後續援軍還在陸續趕來。事實上宋軍的戰略形勢並不樂觀，但太宗可能沒有意識到這一點，依然堅持速戰速決的理念，仍用30萬大軍將幽州團團圍住，只派少量部隊和城外援軍對峙，而沒有像唐太宗攻打洛陽那樣派出部隊駐守重要關隘，阻止契丹後續援軍。這30萬宋軍在幽州圍城，給了宋太宗這個理論家一個非常好的平臺。只見他不辭辛勞，親自爲30萬大軍制定詳細的設營佈防和攻城作戰方案，給每支營連級部隊都配發了詳細的“陣圖”，諸部主將已經無需動腦，只需按照皇上配發的陣圖調配本部人馬，再等參謀本部發出指令，依令執行即可。
擊敗前四支援軍後，太宗留少量部隊與他們對峙，圍城部隊的陣圖也佈置妥當，宋軍開始攻城作戰。定節度使宋偓主攻南門，河陽三城節度使崔彥進主攻北門，彰信軍節度使劉遇主攻東門，定武軍節度使孟玄喆主攻西門，並提前任命潘美爲知幽州府，其必奪之心，昭然若揭！這四支主攻部隊各帶萬餘兵力攻打城門，加起來最多也就只需要四五萬兵力，那剩下二十多萬人怎麼辦呢？有的用炮石攻城，有的用重弩向城內射擊，更多的只能遙望友軍作戰，吶喊助威。畢竟，小小的一個幽州城，排不下30萬宋軍同時作戰，宋太宗帶齊這麼多部隊同時圍城主要還是一個排場心理在作怪。宋太宗爲了模仿他偶像的功績，顯示自己是此戰的實際指揮者，多次親臨前線，視察攻城工作。宋軍有些將領也深諳機關工作之道，紛紛給皇帝打表演戰。劍舞營自不必說，多次在城下彙報表演大型軍體操《劍神》，慰問了晝夜奮戰在一線的雙方將士。弓弩部隊爲了向太宗展示武器裝備建設取得的新成就，把當時世界上最先進的牀子弩、諸葛弩等自動武器統統擡出來，對着幽州城頭就是一陣狂噴，一個時辰就噴了300萬支弩箭，受到最高領導的高度評價。
當然，殺傷遼軍數量史書上沒有顯示，估計是都藏好了，所以沒有人受傷。其實這個時候最能出彩的當屬炮兵部隊，宋初還沒有火藥驅動的火炮，火球炮是南宋才發明的，當時的“炮”應該是指投石機。這可不是現代的自行火炮，不能預先製造，必須在城下現場打造。太宗下令當場趕製800臺大炮，半個月完工！當然，作秀歸作秀，仗還是要打，30萬宋軍就算有二十多萬都在作秀，有那幾萬精銳宋軍來攻城也夠韓德讓忙了。宋軍的大兵團集團作戰水平確實很高，攻城戰也很專業，使出各種攻城戰術，登雲梯、擂城門、壘土山、挖地道，無所不用其極。韓德讓也是深通兵法，絞盡腦汁，百般設計，將攻勢一一化解。城內的遼軍奮死抵抗，城外的援軍被宋軍層層阻隔，無法靠近城郭。逐漸，守軍和寸步難移的援軍都開始喪失信心，甚至開始出現投降。首先是援軍方面斜軫部下的渤海軍主帥大鸞河率領渤海軍降宋。渤海軍算是遼帝國的少數民族部隊，戰鬥意志和忠誠度都不是很可靠，所以率先投降。
但第二個投降的人竟然是遼帝國鐵林軍都指揮使李扎盧存！鐵林軍是遼帝國最精銳的部隊，與後來西夏帝國的“鐵鷂子”、金國的“鐵浮屠”並稱爲宋代三大經典重甲騎兵團，在遼軍體系中所佔的地位也不言而喻。這支部隊中竟然有高級指揮官率部投降，可想而知對遼軍的心理打擊有多麼嚴重！他的投降給遼軍的士氣帶來了毀滅性打擊，遼順州守將建雄軍節度使劉廷素、薊州守將劉守恩相繼舉城納降，南京正式成爲一座孤城，形勢岌岌可危。就在此時，第五支援軍御盞郎君耶律學古率部趕到。史載此人爲契丹第一博學之士，精通遼、漢兩種語言，對諸子百家均有涉獵，尤其精通奇門遁甲之術。他趕到清河見耶律斜軫等部駐守清河，遙望南京，卻不近城救援，忙問何故。斜軫等人均表示宋軍規模龐大，又依照宋太宗陣法佈置，層層阻隔，變化無窮，無論如何也衝不破屏障，只能被擋在陣外。學古登高俯瞰宋軍陣型，果然高妙無窮，但他也沒有灰心，而是仔細觀察宋軍陣型變化的規律，畫成圖形刻苦研究。經過幾晝夜的鑽研，學古終於研究出了宋軍大陣中的可乘之機，率領本部精騎快速穿過宋軍幾個薄弱環節，在宋軍的一片叫罵聲中被目送入城。
（有些史書上說是挖地道進城，似乎不太現實。）這是開戰以來第一支進入南京城內的援軍！已經快要被壓垮的韓德讓激動得聲淚俱下，城內守軍更是一片歡聲雷動！太宗勃然大怒，向清河的援軍和城內的守軍發起猛攻。此時此刻，即便是耶律斜軫也抵擋不住，激戰一整天，遼軍大敗，傷亡慘重，退卻數十里，不過依然沒有逃散，而是繼續堅守在南京城的視野範圍內，聲援城內守軍。事實上，這也就是他們能夠做的全部事情了。之後，太宗又回到城下，親自督戰猛攻城門。韓德讓和耶律學古齊心協力，化解了宋軍一次又一次的攻勢。其中尤爲驚險的一次，宋軍有300人的前鋒部隊登上城頭，耶律學古親率部衆前往力戰，先抵住這幫人的第一波攻勢，再切斷他們的後援，最終以數倍傷亡將這300人擒下。還有一次宋軍掘地道入城，韓德讓卻已經考慮到宋軍有可能來這一手，在城內建立了監聽系統，及時發現了宋軍的掘進，引水淹掉了宋軍地道。這時第六支援軍又已經趕到，駐守西京大同府的南府宰相耶律沙已經放棄山後防線（其實宋軍都集中在幽州，山後本來就不需要防守），率領數萬大軍前來營救南京，太宗親自率軍前往高梁河迎戰。
耶律沙雖在白馬嶺戰役中見識過宋軍步兵方陣的厲害，但此刻急於救援，無奈硬着頭皮衝陣。結果自不必多說，遼軍騎兵衝鋒過程中先被宋軍弩箭射倒一大片，好不容易衝到陣前又被重步兵抵住動彈不得，然後宋軍從側翼上來一陣狂砍，再然後耶律沙率領沒死的人開始跑路。但耶律沙逃離戰場後，宋軍的追擊卻並不猛烈，其實這是一個暗藏的危險信號：宋軍從圍攻北漢開始，連續激戰又連續強行軍，已經有好幾個月，中途沒有任何休整和輪換，縱是鐵人，也該感到疲憊了。這一次，宋軍最精銳的御前殿直軍竟然用了整整一下午，只追擊了耶律沙10里路。
而且沒有追到，到了吃晚飯的時間，又開始拖拖拉拉地往回走。雙方的實力差距再大，宋軍也不能這樣不在乎自己正處於危險的戰場上。在打得幽州城內守軍伸不出頭來，援軍也紛紛敗退之時，遼軍的士氣已經瀕臨崩潰，甚至遼帝國的高層也開始喪失信心，準備放棄南京，退守關外了。宋太宗的宏偉藍圖即將完成，他距離他的偶像唐太宗只有一字之差了！然而，就在這一夜，一顆璀璨奪目的將星突然之間劃破長空，在幽州城上升起，將高梁河照得透亮。出乎宋太宗，乃至整個宋朝人民的意料，一箇中原人民從未遇到過的可怕對手已在趕赴幽州的路上，他的出現將會使這一字之差變成新千年人類文明走勢的重要轉折點。