宋军背城立阵，侧后无忧，并处于守势，加上宋军大阵对于正面的先天优势，辽军虽然有人数上的优势，但擅长的迂回包抄战术无法使用，只有与宋军做正面硬捍。在这点上从历史战绩看，单纯的正面接战，辽军鲜有胜绩，形式对辽军并不有利。因此，辽军果断做出全力一击，将铁林军的重装骑兵派上战场，由统军铁林相公率领正面冲击宋军大阵，但事与愿违。宋军中军主将魏能也率领精锐部队对辽军的攻击箭头展开反冲击，在左右两翼的配合夹击下不但粉碎了辽军的正面冲击，保证了大阵正面的安全，并在反冲击过程中一举射杀辽统军铁林相公。辽军主将被杀，全军为之气沮，败像已现。最终，在威虏军城西的主战场上，辽军战败，准备从来路逃走，于是向西北的羊山方向撤退，宋军两翼秦翰和田敏的6000骑兵转入追击，尚未出动的预备队李继宣部也同时移向威虏军城西北八里的赤虏屯住，并派出联络官跟随秦翰部前进，随时准备策应追击部队。
宋军先期开赴羊山包抄的二杨所部没有能参与威虏军城西的大战，辽军的行动太过迅速，一到就打，一打就败，一败就逃，二杨所部的包抄任务就这样变成了迎头拦截的截击任务。辽军虽然主动撤退，但形式并不好，后有宋军的追兵，前方还有没有来及赶上威虏军城西之战的宋军迂回部队二杨所部6000骑兵的正面堵截。辽军面临着被前后夹击的态势。
当辽败军取道羊山南麓渐次向西北撤退的时候，早就埋伏在这里的二杨所部迎头杀出，对辽军展开正面拦截。后有追兵的辽军正面再被拦住，走投无路的辽军一下子迸发出强劲的战斗力，二杨虽然倚靠羊山展开阻击，但仍被数量上占有优势的辽军逐步击退，被迫退出战场。一部分没有来得及后撤的宋军死守羊山不退，最后全部阵亡。
二杨的正面阻击虽然宣告失败，但在使辽军付出相当的代价同时，迟滞了辽军的行动，为追击部队的赶到争取了时间。正当辽军最终攻下羊山上的宋军阵地时，一路尾追辽军的秦翰部和田敏部追上了辽军后卫部队。李继宣派住秦翰部的联络官也及时将这一情报通报给进屯赤虏并以其为前进基地的李继宣部。李继宣得到情报后立即带领自己的部下直扑羊山。在秦翰部咬住辽军后一会儿，李继宣部也追上了辽军。
随着二杨的退出、秦翰部和李继宣部的相继投入，形势发生了转变，宋军由阻击状态变为追击状态。刚逐走二杨的辽军转眼就被秦翰部和李继宣部赶上了羊山。而此时，秦翰部悄然退出了战场。对于秦翰部来说，已经经历了在威虏军西与辽军大战，再在追击后独自与辽军作战已经使得其力不能支了，因此在友军到达后退出战场也属于情理之中。连经恶战的辽军此时已经无心恋战，而李继宣部原本就是宋军最强悍的部队之一，这次战役中又是作为预备队一直没有参战，在一整天的养精蓄锐后正是斗志昂扬的时候，终于找到了用武之地。之后的战事成为李继宣部的独舞。他们赶着辽军从羊山南麓转过山脊，追杀到北麓。战斗中，身先士卒的李继宣多次因为战马中箭而更换战马。最终在牟山谷，李继宣部追上辽败军主力并杀入，取得了巨大的战果后，剩余的辽军逃向了八里外的辽国边界。而在李继宣部带着满身征尘和丰硕的战果回到前进基地赤虏的时候，天已经开始黑了。
十月十六日一天的战斗，宋辽双方首战长城口，次战威虏军，三战羊山，最终以宋军击退辽军、斩级二万、阵斩辽统军铁林相公以下将领十五员的辉煌胜利告终，这在宋军对辽长达四十年的战争历史上也是少见的。此战的胜利，要归功于宋军中级指挥官群体的合理决策和丰富的作战经验。
战后吕蒙正领百官向真宗祝贺，真宗下令桑赞部1万人开到边境，而前阵军后撤休整。威虏军之战以宋军胜利而告终!但王显仍然作了检讨，表示情报失误，驻扎中山的中军主力没能及时赶到出战，否则战果会更大。吕蒙正也指出“......边臣若侦候无差遵守成算克敌必倍......”但真宗还是很大度的给与了褒奖。