三月，宋军按部就班地攻击太原外围的北汉军寨，辽军援兵也按计划向太原进发，来到了宋军重兵守备的白马岭。此时，前有大涧阻隔，宋郭进之军已在对岸列阵以待，辽军主将耶律沙打算等待后军到来后再一起攻击，但自恃贵显的冀王敌烈（辽太宗之子）与耶律抹只却根本未把宋军放在眼里，认为“急击之便”，耶律沙苦劝不听。敌烈等率先锋兵马横渡涧水，无奈的耶律沙只得挥军跟进。果然至辽军半渡之际，宋将郭进瞅准机会，率领精兵猛烈出击，战斗异常激烈，辽军不支而溃，敌烈及其儿子哇哥、耶律沙之子德里、突吕不部节度使都敏、黄皮室详稳唐筈等五员战将阵亡，士卒死伤无数。耶律沙与抹只也被困阵中，多亏后军耶律斜轸率军杀到，用万张强弓齐射迫退宋军，才“仅以身免”。白马岭之战，是辽军在与宋军作战中第一次大惨败。此后，北汉不断向辽告急，但新遭大败的辽军无力于短时间内再出援兵，由此在太原战场上，宋军完全控制了局面。《辽史•耶律沙传》称耶律沙在获救以后，还想率领余卒及耶律斜轸的后军进向太原，只是路遇北汉驸马都尉卢俊说太原已经陷落，方才勒兵而还，恐怕只是一句自饰战败的门面之语。因为据史载，太原城陷落在白马岭之战后一个多月，如耶律沙真欲增援，怎会至此时仍然在契丹境内？

四月，宋军陆续攻下太原外围州县，太原成了一座孤城。抵达前线的宋太宗至城下营寨内慰劳诸将，督诸军连续攻城，并出手诏向北汉主刘继元劝降。刘继元还在坚守，等待辽军来援，但手下大臣、将士却已丧失了守城信心，不断翻城出来归降。至五月五日，势穷无援的刘继元无力再支撑下去，便上表投降，北汉灭亡。宋太宗依惯例对投降的北汉君臣施行赦罪封赏，以刘继元为右卫上将军，封彭城郡公-此外，宋太宗为消灭太原的“王气”而尽迁其居民，焚其城，改为平晋县，而以榆次县为新并州之治所。至此，前后历经四次的宋军平北汉之战终于修得正果。

北汉被灭，也是辽、宋力量对比变化之必然结果。自辽太祖建国以来，尤其是辽太宗占据燕云十六州以来，契丹在与中原政府作战中，凭借铁骑纵横，一向占据着主动地位。但此后辽朝内乱相继不绝，国势中衰，虽然辽景宗即位以后，全力稳定内政，发展经济，使得其国力有所恢复。但统治中原地区的宋朝政权，通过“先南后北”的战略决策，结束了南方自晚唐、五代以来军阀割据、政局动荡、生灵涂炭、民不聊生的乱局，经济、人口等方面也大为发展，此消彼长，使得宋朝军力大增，在一定程度上已凌驾辽军之上。同时，晋北地区岭险壑深，并不利于骑军驰骋，再加上宋军有备而来，辽将轻慢无备，作战大败、丢失北汉也就自在意料之中了。不过，福兮祸所伏，宋太宗于轻取太原后，得意忘形，轻举妄动，欲凭借大胜之余威而一举收复燕云失地，结果随即在燕京城下，遭到了契丹骑兵的迎头痛击，惨败而归。