耶律休哥繼續率部猛攻，這時宋軍才覺已被包圍，又無法抵抗遼軍的猛攻，只能紛紛後退。
耶律沙從後面追擊，而休哥與斜軫兩軍也對宋軍實行越追擊。
宋軍大敗，死者萬餘人，連夜南退，爭道奔走，潰不成軍。
趙光義與諸將走散，諸將也找不到各自的部下軍士。
趙光義的近臣見形勢危急，慌忙之中找了一輛驢車請趙光義乘坐；急南逃。
耶律休哥時已受重傷，昏死過去，不能騎馬，左右用輕車載著他，代他號施令，繼續追擊。
遼軍一直追到涿州城下，獲得兵器、符印、糧草、貨幣不可勝計。
趙光義於七月初七日天明之後，已先到達涿州城外；當時宋軍的敗兵還沒到。
他又繞過涿州城直奔金臺屯，見諸軍尚未到達，才敢停住“車駕”觀望。
初九日，趙光義見諸軍仍然未到，便使人往探；這才知道諸軍仍在據守涿州，而且有策劃立太祖子武功郡王德昭的事，於是急命崔翰往傳詔命班師。
趙光義為防備契丹乘勝南侵，命殿前都虞侯崔翰與定武節度使孟玄喆屯兵定州，河陽節度使崔彥進屯兵關南，雲州觀察使劉廷翰為都鈐轄與彰德節度使李漢瓊屯兵鎮州，以上諸軍都由劉廷翰指揮並得便宜行事。
本來這樣就可以了，可趙光義偏偏又授諸將陣圖；命令他們如果契丹來犯，必須入圖佈陣，交代完之後，他才自金臺屯南返，七月二十八日還至東京。
八月初二，趙光義行從徵失律之罰，貶西京留守石守信為崇信軍節度使；彰信軍節度使劉遇為宿州觀察使。
同時因為北征不利，連平太原之賞也免了。
當時很多人認為這樣不行，皇子武功郡王趙德昭就上諫道“當先行太原之賞，再行幽州失律之罰。”
宋太宗大怒，想起諸將在找不到自己時曾有意立他為帝，便道“待汝自為天子，賞未晚也！”
趙德昭被逼無以自明，退回私舍之後拔劍自刎。
遼軍既勝，亦行賞罰。以權知南京留守事韓德讓，權南京馬步軍都指揮使耶律學古，知三司事劉弘，能安人心衛城池，並賜詔褒獎。
以前白馬嶺之敗責耶律沙，又以此次擊敗宋軍之功相抵。
耶律奚底遇敵而退，以劍背擊之。乙室王撒合雖臨陣退卻，但部伍不亂，得到寬宥。冀王耶律敵烈戰死白馬嶺，其麾下先逃遁者皆斬，都監以下杖背。然後聚宴諸將士，分別給予賞賜。
宋太宗以不正當的手段登上皇帝之位，免不了坊間民眾之詬病。
為了彌補這些短板，他急於要創造幾個輝煌。
滅亡北漢得驍將楊業確實堪稱輝煌，可是不顧兵士疲勞攻打幽州；試圖收復燕雲十六週不能說不是一盤臭棋。
趙光義在太祖朝一直是東京汴梁府尹——都市長，長於行政，短於軍事。
想要憑藉滅北漢的餘威一舉收復燕雲故地，重建華夏北方的國防線，並進一步恢復中原政權領導四夷的地位；這種進取心無可非議是好的。
然而好的動機並不一定帶來好的結果，宋軍在高梁河以慘敗收場可不是時運不濟那麼簡單。
趙光義被攻克太原的勝利衝昏了頭腦，對遼軍的實力及其擁有大量騎兵的情況估計不足，在部隊疲睏交加的形勢下，倉促出兵，企圖以突然的行動、優勢的兵力數量，一舉襲取幽州地區。這種輕率魯莽、僥倖取勝的投機舉動，最後遭到失敗乃是情理中事。
從作戰指導上看，宋軍移師幽州，僅是一個方向的進攻；既未從幽州北面出兵配合，牽制遼軍，又未控制一定的預備兵力。