抵擋住了蕭太后的這一次大舉入侵後，契丹又反覆入寇，均被邊將楊延昭、王漢忠等擊退，但這些小戰鬥都只是大戰前的序曲而已，真正的大戰即將到來。鹹平四年（遼統和十九年，1001年），遼帝國將東京統軍使耶律奴瓜調任南府宰相，籌備南侵事宜。宋廷也早早得到諜報，由於上一次錯用傅潛，引起朝野譁然，甚至連老將李繼隆都主動請纓出山再戰。但真宗沒有同意，而是以樞密使王顯爲山南東道節度使、同平章事，出任鎮、定、高陽關都部署，帶領年輕將領們作戰。遼軍的首要攻擊目標仍然是深懸遼境的威虜軍，而王顯的總參謀部簡單的以此來制定戰略方案，集結了十萬重兵到威虜軍，準備與遼軍主力會戰。然而宋軍情報似乎不太準確，遼軍並沒有出現，十萬大軍空耗了一個多月的糧餉後，主力撤回關內，只留下騎兵部隊機動。其實這個錯誤的情報未必不是好事，因爲十萬機動能力很差的宋軍遠離國境，糧道極易被切斷，如果遇上休哥這樣的高手，只怕要重演雍熙北伐的大敗。十月中旬，遼軍真的來了，先鋒仍然是耶律隆慶。不排除遼軍利用了反間計，先騙取宋軍主力集結，空等不到後主力退卻再趁機出兵。
但這一次遼軍很不走運，遇到了連續大雨天氣，道路非常泥濘，更可怕的是遼軍的弓弦多采用皮弦，經雨水浸泡後失去了彈性。不知此時遼軍中是否有人想起了雍熙三年的君子館，劉廷讓就是因爲突至的冷空氣導致弓弦不能張開而全軍覆沒，現在他們似乎面臨同樣的困境。但是遼軍對弓弩的依賴要遠遠低於宋軍，因爲他們還有契丹民族引以爲豪的重甲騎兵——鐵林軍。當隆慶推進至長城口時，遭到宋軍前陣鈐轄張斌伏擊，由於遼軍不能使用弓箭，被張斌的精騎順利突破前陣。張斌也知道自己兵少，所以看準隆慶的帥旗直衝。就在這時，鐵林軍出現了，數千重甲騎士如銅牆鐵壁般佇立在隆慶前方，張斌知道無可能獲勝，在取得不錯戰績後及時撤離了戰場，趕至威虜軍和大部隊會合。宋軍主力空等一個多月後剛剛撤回關內敵軍就來了，又錯過了大好戰機，真宗接到張斌的捷報雖然高興卻也不由得嘆惜。這時再集結步兵主力出關已經來不及，只能急詔沿邊各路增援，緊急繪製陣圖傳示王顯。這時留在關外的宋軍全部都是騎兵部隊，約有二萬騎，宋遼兩國曆史上最大規模的一次騎兵大會戰即將展開！遼軍尾隨張斌來到威虜軍，宋軍已經在城下列出罕見的騎兵大陣嚴陣以待。
一般來說歷史上只有步兵大陣，很少出現騎兵大陣，因爲馬畢竟是畜牲，很難訓練成科學的陣型，但一旦成型，騎兵方陣理論上比步兵方陣更厲害，而且已經面對就不能跑，一跑就會被追殺。現在遼軍只剩下一個辦法：以優勢重騎兵鐵林軍突破宋軍陣型。鐵林軍在他們的主官鐵林相公（史書未載姓名）的帶領下向宋軍中軍發起了衝鋒，宋軍主將鎮、定、高陽關三路都鈐轄魏能率騎兵主力上前迎敵，前陣鈐轄田敏、秦翰各率3000騎從側翼掩護，田敏作爲靜塞軍指揮使取得徐河大捷後升級爲都指揮使，現在他所率領的部隊很可能仍包含了那一千騎宋軍騎兵的驕傲：靜塞軍。鐵林軍雖然強大，但是宋軍騎兵也絕非易與，鐵林軍前鋒遭到三路鉗擊後隆慶又派出本方騎兵主力跟上，這時宋軍的預備隊李繼宣也投入了戰鬥。在宋軍幾員大將的密切配合下，遼軍陣型開始有所鬆動，而在魏能、田敏、秦翰的鉗形攻擊下，鐵林軍非常吃力。鐵林相公身先士卒，戰士們也無不奮勇衝擊，但是刀劍無眼，鐵林相公終於被魏能一箭擊斃。隨着宋軍騎兵如絞肉機一般的鋼刀揮動，這支承載着遼軍無數光榮與夢想的部隊——鐵林軍，被淹沒在了萬千馬蹄之下。
鐵林軍的建制當然不會被遼軍所拋棄，但是，這一次的全軍覆沒，已經打斷了他的脊樑，那支曾經橫絕大漠三千里、馳騁草原數十年的偉大鐵軍就此覆滅。當下一次遼軍重建鐵林軍建制的時候，只不過是一支普通的重甲騎兵團了。最精銳的鐵林軍覆沒了，遼軍士氣大挫，敗局已定。樑王隆慶還算鎮定，帶領大隊邊打邊撤，向城西羊山方向撤去。但是，他的噩夢還沒有結束，宋軍前陣鈐轄楊延昭、楊嗣正在羊山設伏恭候他的大駕。遼軍撤到羊山時，二楊各率3000騎迎面殺出。
面臨絕境的遼軍見宋軍只有6000騎兵，突然爆發了極其強大的戰鬥力，二楊被逼退至羊山腳下，雖居高臨下仍然不能獲得優勢，只好退出了戰場。但是遼軍的逃跑已經被遲滯，後隊被田敏追上（可能是靜塞軍）。田敏和秦翰死死咬住遼軍，一直等到李繼宣的大隊趕上。遼軍背靠羊山，藉助地形拼死抵抗，但李繼宣毫無懼色，率部登山逆戰。之後遼軍不斷轉換防禦陣地，李繼宣一刻不讓，始終緊咬，戰鬥異常激烈，李繼宣滿身受傷，戰馬三次倒斃，均換馬繼續作戰。最後遼軍傷亡大半後終於從牟山谷逃脫。戰後清點戰果，宋軍共斬首兩萬餘級（估計殺敵六至八萬），陣斬大將15名，其中包括鐵林相公一名，有的史料上還說殺死了遼帝國的大王。戰後，羣臣紛紛上書向真宗道賀，宋軍在邊境堆築京觀，誇耀武功。