耶律休哥继续率部猛攻，这时宋军才发觉已被包围，又无法抵抗辽军的猛攻，只能纷纷后退。
耶律沙从后面追击，而休哥与斜轸两军也对宋军实行超越追击。
宋军大败，死者万余人，连夜南退，争道奔走，溃不成军。
赵光义与诸将走散，诸将也找不到各自的部下军士。
赵光义的近臣见形势危急，慌忙之中找了一辆驴车请赵光义乘坐；急速南逃。
耶律休哥时已受重伤，昏死过去，不能骑马，左右用轻车载着他，代他发号施令，继续追击。
辽军一直追到涿州城下，获得兵器、符印、粮草、货币不可胜计。
赵光义于七月初七日天明之后，已先到达涿州城外；当时宋军的败兵还没到。
他又绕过涿州城直奔金台屯，见诸军尚未到达，才敢停住“车驾”观望。
初九日，赵光义见诸军仍然未到，便使人往探；这才知道诸军仍在据守涿州，而且有策划立太祖子武功郡王德昭的事，于是急命崔翰往传诏命班师。
赵光义为防备契丹乘胜南侵，命殿前都虞侯崔翰与定武节度使孟玄喆屯兵定州，河阳节度使崔彦进屯兵关南，云州观察使刘廷翰为都钤辖与彰德节度使李汉琼屯兵镇州，以上诸军都由刘廷翰指挥并得便宜行事。
本来这样就可以了，可赵光义偏偏又授诸将阵图；命令他们如果契丹来犯，必须入图布阵，交代完之后，他才自金台屯南返，七月二十八日还至东京。
八月初二，赵光义行从征失律之罚，贬西京留守石守信为崇信军节度使；彰信军节度使刘遇为宿州观察使。
同时因为北征不利，连平太原之赏也免了。
当时很多人认为这样不行，皇子武功郡王赵德昭就上谏道：“当先行太原之赏，再行幽州失律之罚。”
宋太宗大怒，想起诸将在找不到自己时曾有意立他为帝，便道：“待汝自为天子，赏未晚也！”
赵德昭被逼无以自明，退回私舍之后拔剑自刎。
辽军既胜，亦行赏罚。以权知南京留守事韩德让，权南京马步军都指挥使耶律学古，知三司事刘弘，能安人心卫城池，并赐诏褒奖。
以前白马岭之败责耶律沙，又以此次击败宋军之功相抵。
耶律奚底遇敌而退，以剑背击之。乙室王撒合虽临阵退却，但部伍不乱，得到宽宥。冀王耶律敌烈战死白马岭，其麾下先逃遁者皆斩，都监以下杖背。然后聚宴诸将士，分别给予赏赐。
宋太宗以不正当的手段登上皇帝之位，免不了坊间民众之诟病。
为了弥补这些短板，他急于要创造几个辉煌。
灭亡北汉得骁将杨业确实堪称辉煌，可是不顾兵士疲劳攻打幽州；试图收复燕云十六周不能说不是一盘臭棋。
赵光义在太祖朝一直是东京汴梁府尹——首都市长，长于行政，短于军事。
想要凭借灭北汉的余威一举收复燕云故地，重建华夏北方的国防线，并进一步恢复中原政权领导四夷的地位；这种进取心无可非议是好的。
然而好的动机并不一定带来好的结果，宋军在高梁河以惨败收场可不是时运不济那么简单。
赵光义被攻克太原的胜利冲昏了头脑，对辽军的实力及其拥有大量骑兵的情况估计不足，在部队疲困交加的形势下，仓促出兵，企图以突然的行动、优势的兵力数量，一举袭取幽州地区。这种轻率鲁莽、侥幸取胜的投机举动，最后遭到失败乃是情理中事。
从作战指导上看，宋军移师幽州，仅是一个方向的进攻；既未从幽州北面出兵配合，牵制辽军，又未控制一定的预备兵力。
一开始便将主要兵力投入战斗，企图速战速决，一举成功，以致一遇挫折，便无力挽救。
其次是对幽州城的防御力量估计不足，幽州是辽的战略要地；辽必以重兵守城。
宋军远程急进，无攻坚准备，以致顿兵坚城，陷入师劳兵疲的困境。
最后是缺乏打援部署。幽州既为辽战略要地，在受到围攻时，辽兵必以重兵增援。
但赵光义心高气傲，未作任何阻援部署，只顾倾全力攻城，致为辽援军拊击，导致全军溃败。
反观辽军，虽在宋军突袭初期遭到一些挫折，但能采取一些有效措施，固守待援，为调集援兵赢得了时间。在援兵到达后，又成功地运用两翼包围的战法，发挥骑兵的长处，乘耶律沙拖住宋军并使宋军遭到一定程度削弱时，突然投入战斗，终于扭转战局，取得了解围幽州，大挫宋军的胜利。
高粱河一役作为辽宋关系的重要转折点直接造成了日后的宋连战连败，至此宋对辽已然完全处于下风，并直接对其经济造成极大的影响。
辽成为一个威压北宋，雄踞中国北方的庞大帝国直到被金所取代而歇手。
高粱河一战的败北，是宋太宗人生轨迹上一个最大的痛楚。
赵光义劳心费神十分痛楚的第二件事自然是坊间对他登基风言风语的议论。
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