高梁河之戰后不久，不甘心失敗的宋太宗趙光義于986年（雍熙三年，因此史稱“雍熙北伐”）春天再一次發動北伐。北宋對這次戰爭經過較長時期的準備，又廣泛地調動起能調動的力量，單是承擔軍需供應和運輸的民工，就擴大到從七十個州府內征調，物資調運數目之大可想而知。參戰的禁軍將士二十萬，幾乎動員了宋朝所有的精銳部隊，軍官無疑都是久經戰場，并通過慎重的遴選。這些,都顯示了宋太宗對收復燕云十六州期于必得的決心 。
此役宋太宗再次御駕親征，并命老將曹彬為幽州道行營前軍騎水陸都部署，為全軍主帥 ，統率河陽節度使崔彥進等三十徐將 , 兵分三路進擊。
東路軍：曹彬親為主帥 ，崔彥 進為副 帥 ，率軍從雄州 (今河北雄縣)出發，取道東北經固安( 今河北 固安)再折至琢州 (今河北琢州市)，然后向幽州挺進，又以米信為主帥， 杜彥 圭為副 帥 ，率軍從雄州 出發，向西北經新城(今河北新城 )至琢州，與曹彬部 隊會合。由于宋軍在東路是分兩路推進，所以， 這次北伐實際上是四路進兵 。東路軍的兵力有十萬多, 是進攻幽州的主力，其中 ，米信一軍 又是作為曹 彬軍的輔助部隊，起呼應配合作用 。
中路軍：以田重進為定州路都部署，即中路軍主帥 ，率部從定州 (今河北定縣)出發，從西北方 越過太行山，占領戰略要地飛狐 (今河北沫源 縣 )，切 斷并阻擊遼軍的西援，配合西路軍拿下代北諸州。
西路軍：以潘美為云 、應 、朔 等州都部署 , 楊業為副帥 ，出雁門關(今山西代縣北 )，攻占代北云 、應 、朔 等州 后，會合 田 重進 部，向東 迂回，最后與東路軍一 起合圍并攻占幽州。
此戰宋太宗吸收前戰教訓，并未直取幽州，而是兵分三路。幽云十六州分山前七州與山后九州，宋軍原定以曹彬的東路軍為主力攻取涿州，以牽制耶律休哥所率遼軍主力，而西路的潘美與東路的田重進則負責攻略山后，待山后攻略完畢則由山后轉掠山前，最后匯合的宋朝三路大軍與遼軍在幽州城下進行主力決戰。曹彬老成持重，則以他為盾，牽制遼軍主力，潘美鋒銳，則以他為矛，攻城略地。為了牽制住耶律休哥，宋軍名將大多集中在東路軍。
雍熙北伐一開始，宋軍諸路皆捷：曹彬一路攻克固安南城 ，田重進于飛狐北破遼兵，潘美在西陘痛擊遼軍，克遼朝寰州。不久，曹彬又克涿州 ，潘美克朔州，下應州，破云州。米信方面，宋軍又于新城大敗遼軍。（此一系列小勝其實為草原民族擅長的誘敵深入之計）
遼承天太后蕭綽聞訊，決定以騎兵之長和平坦廣闊的有利地形，集中主力先破宋東路軍，再移師逐個擊破。遂部署南京留守耶律休哥率部先趨涿州阻擊，繼以東京留守耶律抹只率軍馳援幽州；自與圣宗率精騎數萬進抵駝羅口（今北京南口附近）應援。同時，以北院樞密使耶律斜軫為山西兵馬都統，率軍進援山后，阻擊宋中、西兩路軍東進。命林牙（官職）勤德守平州（今河北盧龍）海岸，以防宋軍由海上襲擊側后。
由于先前吃過數次敗仗，宋太宗在諸將出發前，囑誡他們“持重緩行，毋貪小利以要敵。”然而，擔任主攻的曹彬十萬大軍在涿州待了僅僅十幾天，就吃盡了軍糧，“乃退師雄州以援供饋。”（只從東路軍的角度來說，此舉并無過錯，在宋軍戰力未衰之時撤退以避免損失。但是從整個戰局看，此舉成為了宋軍敗亡的導火索）宋太宗聞報，大駭：“豈有敵軍在前不顧而退軍待軍糧的道理！”忙遣使制止曹彬，并告誡曹彬不要再向前進軍，率軍沿白溝河與米信宋軍會兵，“按兵蓄銳以張西師之勢。”宋太宗本意很好，想等潘美等人盡得山后土地之后，田重進再東下與曹彬、米信會合，全師制敵，與契丹大軍決戰。
但是，曹彬統下諸將聽說潘美、田重進等部連戰連捷，深恥己軍無功，“謀畫蜂起，更相矛盾”。東路軍將星云集反而成了宋軍敗亡的禍根。老將曹彬一時無策，便順從諸將之意，“乃裹五日糧，再往攻涿州。”當時，遼朝蕭太后、韓德讓、遼圣宗等人在涿州東五十里的地方扎下御營，聽聞宋軍來擊，便遣耶律休哥輕兵疾行，阻擊宋軍。宋軍邊急行軍邊迎戰，路上足足用了四天時間，才得以進達至涿州。“時方炎暑，軍士疾乏，所賚糧不繼。”無法，宋軍得城不能堅守，又棄之而去。
曹彬先遣人率涿州百姓退走，他自己率大軍殿后。由于人多兵疲，缺糧少水，宋軍戰斗力極度下降，連個象樣的殿后軍陣都組織不起來。耶律休哥率遼朝生力騎兵一路尾隨，邊殺邊追，邊追邊殺，一直追到歧溝關，遼軍發動總進攻，宋軍大敗。曹彬收拾殘兵，連夜搶渡拒馬河，于易山南岸扎營，準備休整一下喘口氣。幸虧宋將李繼宣死戰，才使得小股宋軍逃脫。而數萬宋軍，或被殺，或被溺，或被俘，損失巨大，“為遼師沖擊死者數萬人，沙河為之不流，棄戈甲若丘陵”。
宋太宗聞軍敗，憤恨不已，深責眾將，認為這些人“不遵成算，各騁所見，領十萬甲士出塞逼斗”，最終“往復勞弊，為敵所乘”。所以，曹彬、米信等人回朝后，皆被貶官。
由于東路主力大敗，宋太宗合圍幽州的戰略意圖再難實現。遼朝方面開始反撲，耶律斜軫統十萬大軍趕至安定西，與宋朝雄州知州賀令圖相遇，雙方大戰，宋軍又敗，被殺一萬多人。遼軍乘勝攻陷蔚州、寰州等地。深知西路軍已經無望，宋太宗下詔指示潘美，讓他與楊業一起引兵護送云、朔、寰、應四州百姓內遷。
當時遼軍已占據寰州，副帥楊業見斜軫軍已據寰州，兵勢大振，欲避其鋒，向潘美等建議道：“今遼兵益盛，不可與戰。朝廷止令取數州之民，但領兵出大石路，先遣人密告云、朔州守將，俟大軍離代州日，令云州之眾先出。我師次應州，契丹必來拒，即令朔州民出城，直入石碣谷。遣強弩千人列于谷口，以騎士援于中路，則三州之眾，保萬全矣。”而監軍王侁卻建議：“領數萬精兵而畏懦如此。但趨雁門北川中，鼓行而往。”護軍劉文裕也贊成王侁的主張。楊業覺得這樣必敗，王侁便挖苦道：“君侯素號無敵，今見敵逗撓不戰，得非有他志乎？”楊業無奈，妥協道：“業非避死，蓋時有未利，徒令殺傷士卒而功不立。今君責業以不死，當為諸公先。”將要進發之前，楊業哭對潘美說：“此行必不利。業，太原降將，分當死。上不殺，寵以連帥，授之兵柄。非縱敵不擊，蓋伺其便，將立尺寸功以報國恩。今諸君責業以避敵，業當先死于敵。”又指陳家谷口說：“諸君于此張步兵強弩，為左右翼以援，俟業轉戰至此，即以步兵夾擊救之，不然，無遺類矣。”潘美便與王侁等在谷口列陣。
斜軫初聞楊業兵將至，命蕭撻凜伏兵于路。第二日晨，楊業兵果到，斜軫佯退，之后伏兵出，楊業敗走，退至狼牙村。王侁等人從凌晨等到將近晌午時分，派人登臺眺望，以為契丹軍已經敗走，想要爭功，遂領兵離開谷口，潘美不能制止，率軍沿交河（今桑乾河上游）西南行進二十里，得知楊業兵敗，竟不往救援，而全軍退走。而楊業自晌午力戰到傍晚，且戰且退，終于退到陳家谷口，卻未見半個宋兵的影子，乃頓足捶胸，拊膺大慟，再率部下力戰，身上受傷十余處，士卒戰死殆盡，楊業仍然手刃數十乃至上百敵兵，因其馬重傷不能行，藏匿于深林之中，被契丹將耶律奚底一箭射中，落馬成擒，其子楊延玉、部將王貴盡皆戰死。楊業被擒后，絕食三日而死。中路軍田重進不辱使命，全軍而返，并帶回部分收復地區百姓。至此，宋三路大軍皆敗，所取州縣皆復失。
歧溝關之戰（雍熙北伐）宋朝自高梁河之戰后為收復幽云失地所做的又一次努力，也是宋朝第二次主動進攻，此次進攻由于投入兵力之多，作戰范圍之廣，都是宋初戰爭史上少有的，可以看作是宋遼雙方的一次總決戰，也是中國軍事歷史上少有的外線進攻、分進合擊與內線防御、各個擊破的經典之戰。無論是失敗一方的大宋，還是勝利一方的大遼，都有值得深刻總結的經驗教訓。
其一，外線進攻、分進合擊講求持重用兵，計劃周密，配合得當。但宋軍四路大軍于作戰中基本毫無配合，不相照應，從而給遼軍創造了各個擊破的時機，此為宋軍失敗的戰略指導上的根本性原因。這再次反映了宋軍主帥宋太宗軍事指揮素養上的不足。
其二，宋軍戰術上的失誤也非常明顯，尤其是曹彬一路，十萬大軍出師，不但沒有在后勤補給上做萬全準備，使后勤補給線被契丹輕易切斷；而且在糧盡時居然全軍而退，再被宋太宗一詔擋回，退而復進，聽說蕭太后大軍已到，又掉頭而退，終為休哥所乘。兵家有云：“用兵之害，猶豫最大；三軍之災，莫過狐疑。”用在曹彬身上最為合適。
其三，契丹方面的勝利可圈可點之處很多，主要體現在以下三個方面：首先，契丹方面的防御及反攻戰略比較合理，先是做戰略收縮，誘敵深入，以燕京為防御軸心，對山后諸州的失陷暫時不理，以局部犧牲換取重要戰略方向的決勝；其次，在對宋軍曹彬主力采取的不是硬碰硬的對磕，而是堅守要地、尋機襲擾的遲滯戰術，在宋軍勢不可擋時能夠遏止其進程，又將之逼退，這是契丹取勝的關鍵；再次，持重待援，各個擊破，在曹彬敗退后沒有貿然出擊，而是等待援軍到來后再行決戰。得勝后再全力馳援其他戰場，可謂主次分明、措置得當。
而在這場戰爭中，由于西路戰場“內官監軍”王侁的胡亂指揮，不但使宋軍失去了一員忠烈勇將楊業，而且在后人的演義下使另一位名將潘美被丑化了上千年。
潘美本為宋初名將，曾在北宋伐南漢之戰中，虛實并用，聲東擊西，多次以少勝多，戰勝攻取多見其功。伐南唐之戰，師次秦淮河，舟楫未具，揮眾涉水，大破南唐兵；但是陳家谷之戰前竟被王侁慫恿，置楊業于死地，又無法制止王侁擅自行動，撤離谷口，楊業兵敗又不救援，這種表現固然有潘美的重大責任，但當時潘美已然是66歲的老將，常年的征戰已然使他失去了銳氣，加之官至晚年，不愿意得罪太宗的“紅人”（宋制，監軍一般為皇帝比較信任的宦官），所以聽從了王侁的安排，也因此成就了千古罵名。后世流傳甚廣的《楊家將》、《楊門女將》等小說、戲曲和民間故事中，以潘美為原型的潘仁美成了典型的大反派，背上了本來不屬于他的歷史黑鍋。
事實上，此次戰役后潘美被削三級，導致楊業之死的罪魁禍首王侁被除名流金州，劉文裕除名流登州。而潘美雖然于第二年官復原職，但他仍舊悒悒不樂，數月而卒。真實的潘美，在此后的歲月里與楊家兒女沒有任何關系。然而，陳家谷之戰，雖然王侁先離開而致使缺守，但是潘美身為主將，不能約束監軍的錯誤行為，對于楊業之死，他亦難辭其咎，因其身為主帥而不洞然戰場形勢且沒有力護勇將之故。
