于是，契丹大军从雁门关西侧的扬武谷翻越恒山，杀入平坦开阔的汾河谷地。代州刺史张朗、忻州刺史丁审琦分别登城据守，契丹军队对他们毫不理睬，绕过两城，于九月十五日直抵太原北郊的虎北口，列下阵式。
耶律德光派使节入城，这是由于此时张敬达、杨光远还都没能完成合围。使节通知石敬瑭：“皇帝今天就要和南军决战，你准备好了吗？”终于等到契丹人的石敬瑭先是大喜，继而大惊。他暗想干爹是不是太年轻了，把打仗看得太容易？刚刚到达，不顾军队长途行军的疲惫，就要决战？与张敬达交锋，石敬瑭自己吃过亏，万一契丹干爹也输了的话，我到哪儿认第二个干爹去？
于是石敬瑭连忙派人出城，劝阻耶律德光道：“围城的南军实力很雄厚，不能轻视。要不让大军休息一日，等明天咱们再慢慢商议交战的计划？”然而石敬瑭派出的使节还没有到达虎北口的契丹大营，契丹军队与围城唐军的战斗已经打响！原来，干爹只是通知干儿子一声，并不是征求干儿子的意见。石敬瑭没办法，赶紧派出自己的王牌麾下刘知远，马上调集军队，出城支援，这一战千万可不能输！
第一轮交锋，发生在双方的骑兵之间。契丹先锋迫近唐营，张敬达为了让步兵赢得列阵的时间，派高行周、符彦卿率骑兵出营迎战。高行周、符彦卿都是唐军中最优秀的将领，契丹前锋与他们一接触，就不敌后退了，高、符二将追了上去，于是在交战伊始，唐军骑兵与唐军步兵渐渐脱离了协同。
张敬达没感到有什么不对，他看到了这一幕，心情大好，自忖道：和以往一样，契丹人果然不难对付！乘着好心情，张敬达与杨光远、安审琦等率步军出营，主动迎着契丹军队出现的方向，进至城西北的山下列阵。
唐军的阵形刚刚摆好，又有一支三千人的契丹轻骑兵攻了过来。这三千轻骑都没有穿盔甲，看上去瘦小虚弱。一看对手如此，唐军更加骄傲，立即发起反击。这支契丹轻骑又是一触即退，唐军沿着汾河，奋勇追击。但步兵追骑兵，哪有这么容易追上的？这样一跑起来，唐军摆好的阵型先是被拖长，然后就被拖散。但张敬达和唐军将领被眼前的“胜利”冲昏头脑，仍不以为意。他们甚至连契丹军队的主力究竟部署在哪儿，都还没有侦察清楚，就放心大胆地继续追击。
契丹轻骑退到汾河大河弯处，被河水堵住了路，纷纷涉水退往河对岸。唐军步兵因为速度不够快，没法及时追上，来个半渡而击。等契丹轻骑都过了河，他们才来到河弯处。没关系，渡河接着追！没想到第一批刚渡过汾河，一支埋伏在河对面的契丹军队就杀了出来，现在变成契丹军对唐军的半渡而击，在最前方的唐军迅速被打垮！
与此同时，耶律德光亲率的契丹主力终于从虎北口杀出，他乘唐军阵型已经沿着汾河被拉成了一字长蛇阵，挥动契丹铁骑，以无比迅猛地拦腰一击，瞬间便将唐军斩为两断！胜败在这一刻已成定局，唐军大乱，失去了有效的指挥与协调，无力组织起有力的抵抗，只能在契丹铁骑的砍杀蹂躏下，艰难逃命！
到了天近黄昏的时候，恶战渐渐平息，唐军在战场上扔下了一万多具尸体，逃散的数量无法统计。出城配合契丹作战的刘知远也抓住了一千多名唐军俘虏，随后将他们全部处死。张敬达、杨光远、安审琦等收拾败兵，退回晋安寨大营固守。只有高行周、符彦卿表现稍好，他们打退了契丹军与刘知远军的两面夹击，将骑兵基本完整地带回了晋安寨。
张敬达、杨光远那个自大的计划，他们成功实现了计划的前半部份，契丹人确实深入了。但在后半部份的聚而歼之，他们表现得实在太差。从交战过程来看，唐军数量不比对手少，士气也不比对手低，且是主场作战，差得是糟糕的情报，和拙劣的指挥。如果张敬达有李存勖、李存审、李嗣源、王晏球等前辈一半的能力，唐军也不会一败涂地！
当天夜里，石敬瑭出城，叩谢耶律德光的救命之恩，并正式明确了两人的父子关系。耶律德光亲手握住石敬瑭的手，和颜悦色地将他扶起，表示与这个满脸皱纹的乖儿子相见恨晚。石敬瑭仿佛是最虔诚的信徒，遇到了最崇拜的神人，谄媚问道：“皇上远道而来，按理说已经人困马乏，为何在仓促间与南兵交战，还能大获全胜，有什么用兵的绝招？”
耶律德光得意笑道：“我率大军从北方出发时，最担心的事，就是南兵会事先阻断雁门等诸隘口，在险要处布置伏兵，使我军无法前进。可没想到派人一侦察，所有天险竟无一兵一卒把守！对手的无知程度超乎想像，我军士气倍增，知道此战必胜！我这才长驱直入，乘其不备，一鼓破之！如果拖延时间，让南兵了解我军虚实，胜负就不好说了，这不能用常规的劳逸之势来判断。”石敬瑭听罢，连连称赞道：“干爹果然用兵如神，天下无敌啊！”