劉平部途中遇到鄜延副都部署石元孫部，兩路合兵不及萬人，比起元昊的十餘萬衆處於明顯劣勢。部下認爲實力懸殊，勸劉平不要急於進軍，但劉平豪氣干雲：“義士赴人之急，蹈湯火若平地，況國事乎！”毅然率軍晝夜兼程趕赴延州。經過數日強行軍，劉平部來到三川口（今陝西安塞以東的一個谷口）以西10裡處，又與接令前來救援的鄜延都監黃德和、慶州東路都巡檢万俟政、延州西路都巡檢郭遵部會合，共有萬餘兵馬。下午一個使者跑來對劉平說：“範太尉已經在城門等候，現在天色將晚，怕有奸細混入城中，請將軍將部隊分批開進，在城門口接收檢查。”情急之下劉平不及分辨，聽從了使者，將部隊分爲五十餘隊準備開進。這時突然發現這人不見了，心知有詐，連忙收隊集結爲戰鬥隊形，整隊前進。剛剛走了5里路，只聞鼓聲雷鳴，大批夏軍從四面涌出，將劉平重重圍困，宋軍倉促應戰，劉平和元昊隔着五龍川（延河），都擺出偃月陣對峙。元昊兵力佔優，首先發起進攻，令步卒渡河來攻。劉平令郭遵和御前忠佐龍衛都虞候兼鄜延巡檢王信率騎兵待敵軍半渡，從左右鉗擊。
郭遵和王信都是罕見的猛將，尤其是郭遵，使一套鞭、槊，重90斤，往來衝突，無人能擋，夏軍力有不支。元昊在對岸遙望郭遵所向披靡，派出一員驍將指名要與郭遵單挑。郭遵怒吼一聲，縱馬直入，一鞭敲碎了夏將的腦袋。宋軍奮起神威，將渡河的夏軍擊敗，斬首近千級，夏軍渡河時又溺死數千。但夏軍後續部隊又不斷渡河前來，宋軍發揮弓弩優勢，將許多夏軍射殺在河中。夏軍拿出很多大盾牌掩護着渡河，劉平知道決戰的時刻到來了，親率宋軍大部快速衝上與夏軍搏擊在一起。激戰中劉平耳、頸、腿均被流矢所傷，依然身先士卒痛擊敵軍，夏軍又損失數千人，暫時收斂攻勢。日暮時，宋軍紛紛拿着戰利品去向劉平邀功，劉平慌忙道：“戰鬥正急，功勞先記着，打完仗一起算！”但在元昊的戰場上豈容你開這樣的玩笑，話音未落，夏軍輕騎兵就已經以最快的速度掠來，宋軍猝不及防，陣型退卻二十餘步。黃德和率本部兩千餘兵在後陣，見前陣退卻，連忙策馬逃遁！這下宋軍大陣潰敗，郭遵見大勢已去，抱定盡忠之念，一馬單騎揮舞大槊殺入敵陣。起初夏軍奮力抵抗，被殺得人仰馬翻。
元昊急令用鐵鏈重重絞住他，竟被他一把大槊盡皆斫開！元昊又調大批弓箭手對準郭遵猛射，郭遵戰甲插滿箭簇，依然奮戰，最後戰馬倒地，夏軍蜂擁而上將其剁成肉醬，壯烈以身殉國！郭遵死後宋軍徹底潰散，不過劉平還是很頑強，讓親兵拔劍遮道，擋住了千餘名潰逃的宋軍，帶着他們漸次退到西南山下，結下七個營寨防禦。元昊將這七個營寨團團圍定，第二日指揮十萬大軍合擊，千餘宋軍根本不可能抵抗，劉平、石元孫均被擒。元昊雖然在三川口全殲劉平部，但是也耗費了很多時間，宋軍抓緊這寶貴的數天時間，麟州都教練使折繼閔、柔遠砦主張岊（jié）襲破浪黃、黨兒二族，斬其軍主敖保。並代鈐轄王仲寶帶兵直插賀蘭谷，在長雞嶺大敗夏軍守將羅逋，直接威脅到興慶府的安全。元昊只好全軍退卻，解除延州之圍。
戰後黃德和的罪行引起朝野震怒，本來宋朝的刑法最高只能到斬首，已經廢除了古代的各種酷刑，但此次特批將黃德和腰斬，以平民憤。劉平和石元孫本來被認爲戰死，分別被追贈朔方節度使、定難節度使，諡爲忠武、忠正，優待家屬，但後來石元孫被放歸才知兩人都被擒，劉平最後死在了興慶府。作爲此戰的主將，劉平以八千之衆獨面夏帝元昊的十餘萬大兵，有些人認爲是不理智的魯莽行爲，但誠如他本人所說：“義士赴人之急，蹈湯火若平地，況國事乎！”我更願意認爲這是一種俠肝義膽的表現。劉平其實不是一介赳赳武夫，而是中過進士的文人，但是他本人武藝也非常高強，又熟讀兵書，一直有志於上陣殺敵，在朝中當到侍御史後外放至陝西前線帶兵。劉平這樣一位文武雙全的將軍，正是中國傳統儒家情懷和武士精神的完美結合，他和勇猛盡忠的郭遵都是中華民族非常值得推崇的形象。
劉平犧牲後他的兒子劉銓被朝廷錄用，繼承父志，繼續鎮守陝西，後來在靖康之難中以知懷德軍職務殉國，可謂滿門忠烈。而石元孫是石守信之孫、石保吉之子，“石家軍”一直是頂在他頭上的巨大光環。結果此戰做了俘虜，多年後被放歸，諫院認爲他被俘辱國，應該斬首示衆，宰相賈昌朝念其父祖功勳免死，屈辱地苟活了數年後死去，石家軍的無上榮光也就此湮滅。三川口之戰是西夏第一次和宋軍的大兵團會戰，取得大勝，很多現代人對此津津樂道，又引爲宋軍“軟弱”的論據。然而事實上康定元年的軍事行動，還是以夏軍的敗退結束，劉平、石元孫、郭遵等將正是以自己的忠烈拖住了元昊的主力部隊，給友軍充分的時間突入夏境，挫敗了元昊的整體謀劃，他們是應該受到充分尊重的帝國忠臣而不應該被取笑。此戰後宋帝國派出了韓琦、夏竦、范仲淹等名將來到陝西主持軍務，新的大戰又將爆發。