十二月二十四日巳时，鲜卑人饱餐一顿后，在白登山脚结成阵势，六万人的队伍分成五列，他们同时下山进军，从北往南以此排列是：置鞬莫罗、日律推臣、宴荔游孤迄侯、没鹿回窦宾、副伏罗去宾，而拓跋诘汾率一万人马，驻留在白登山上总揽全局。
汉军此时正要用膳，栉比的军营里升起袅袅炊烟，临近年关，今日诸军加饭，士兵们都颇为高兴，他们忽而远见鲜卑人从山间前来，不由大为扫兴，只能先搁置饭食，回到营房中拿出甲胄兵器。这时汉军以为鲜卑人只是故技重施，大概尝试一阵便会退军，但等鲜卑人距离鹿角仅五里时，他们才发现此次大为不同，鲜卑人全军压进，一看便要在此地一决生死。
军司马顾益看见山间、林间俱是鲜卑的人马，地上的砂石也随之跃动，他大为紧张，忙派使者去帅营通报情形，而后又下令敲响战鼓，鼓声震耳，士兵们也自觉列阵在鹿角之后，等待鲜卑人的第一轮冲锋。
近两月交战下来，双方对对方的战术都算熟稔了。此次鲜卑的前锋不再是甲骑具装，而是推着木楯的甲士，他们用麻布包着武靴，踏足在薄冰上，顶着汉军的箭雨一直向前，目标赫然是汉军在丘陵处突出的部分鹿角。
但汉军也做过准备，鲜卑上次突袭之后，顾益也感到此处防御薄弱，他便在丘陵上设置了三座望楼，且围着望楼和鹿角再挖了两圈壕沟，但缺陷在于，他也未料想到鲜卑军会在此地决战，以决战而言，这些布置显然远远不够。这些最前列的鲜卑甲士抬着一丈二尺的木楯，一直走到壕沟前，后方的鲜卑射手不断远射箭矢，掩护他们将木楯架在壕沟上，此地的汉军与鲜卑人兵力悬殊，即使以长矛拼命戳刺，也不过拖延了两刻钟。不少鲜卑甲士跳入壕沟内，顶着木楯驾上对岸，如此驾成十三座小桥后，鲜卑大军便成功涌入到鹿角之内，与汉军进行肉搏厮杀。
顾益在中军的望楼内远望这幅场景，心中畏惧到极点，他遥望四周想：传令的士兵还未回来吗？但眼中浮现的是更为可怖的景象。在平城之西，汉军布置有两阵一万两千人，占据着长约四里的战线，一丈内有三四人而已，而此时鲜卑人全线猛攻，每名汉军都要阻挡四倍于己的敌人，在顾益看来，敌我的对比就如同溪流与狂涛，但即使想向临近的令狐渊阵求援，令狐渊也无援兵可派了。
他又指挥军队勉力阻挡了两刻，但前线的士卒到底力不从心，壕沟间逐渐涌出越来越多的破口，而丘陵上的望楼都支撑不住，被鲜卑军攻下后又推倒了，散为一地的滚木。这时后背处传来一阵粗犷的角声，平城的城门大开，步度根眼看拓跋诘汾的援军卓有成效，当即号令城中所有能战的部民尽数出战，向顾益部背部发起冲击，但他们首先也要跨过对内的壕沟，这给了顾益最后的反应时间。顾益也别无选择，他当即用旗语下令，让全军向他靠拢结阵，放任鲜卑大军突破工事。
拓跋诘汾见汉军放弃工事，认为这是决定胜负的大好时机，便要将最后的军队也压上去，他对随他初阵的儿子拓跋力微说:“你母亲说你是阴山之子，我也一直当你是壮大我族的骄子，此次你初战，跟在我身后恐怕遭族人非议，这次冲阵，你就到最显眼的地方，让诸部看你杀敌的英姿吧。”拓跋力微时年十六，他非常年轻，身材孔武，更勇于表达自己的意见:“我观此时局势，诸部已占据主动，若是任由战局发展，便是没有我部，也能大获全胜，但敌人尚有八阵未动，如何变阵，实是难以预料的事，不如稍等片刻，看汉人后续手段再说罢。”拓跋诘汾闻言大为讶异，他思虑一番，觉得儿子的意见颇有道理，便让手下人马继续驻留山上，观察汉军的变动。
鲜卑人下山时，城南的刘备与陈冲都站在望楼上，远远便看见鲜卑人如狼群的攻势，但他并没有令诸阵动作，便是顾益军使到来求救，中郎将也没有援助，反而是说:“先让所有的骑士上马，然后再等一等。”众人都不明白缘由，等到望楼上望见城东大开城门，步度根率众杀出时，刘备才再次下令说:“可以破阵了。”阵中的士卒们迅速往壕沟中推土，很快就在壕沟中推出一条两丈宽的道路来，全军有一万骑士，刘备分给张飞四千，让他们就从此处出发，先去进攻内侧出击的步度根部。而后又分给关羽六千骑士，让他从城北出阵，绕击白登山部的鲜卑人。其余汉军则尽数开拔，陈冲到城北去，领杨奉、郭大、胡才部袭击鲜卑人右翼，城西的赫连凡莫、且渠智牙斯、刘宣部随刘备一齐袭击鲜卑人左翼。
鲜卑人对此也做过打算，若是剩下的汉军来援，大概是袭击左右两翼，等主攻的日律推臣、宴荔游孤迄侯、没鹿回窦宾三部攻入阵中后，置鞬莫罗、副伏罗去宾两部就地掩护两翼，拖延时间，只要主攻三部凿穿汉阵，与单于汇合一处，便可驱逐溃兵，将汉军围城的阵势彻底冲散。
但单于遇了些问题，步度根率城民冲到汉军阵前，竟无法冲过内侧壕沟，这是因为内侧的壕沟比外侧宽上两丈的缘故，挖壕沟的泥土被汉军堆在阵中，因此汉军能快速推出土道，而单于只能用笨办法，在一边挖土往壕沟中填，只是这样显然太慢了，张飞为追赶时间，令部下都着轻甲驱马，单于不过填了两刻钟，便见张飞驱马快速接近。
张飞部身披轻甲，单于部也没有多少重甲，最大的战力便是身前五百甲骑具装，张飞见状吩咐说：“不要与甲骑缠斗，我们杀溃大众，此战便是胜了。”于是他们绕过甲骑，直接杀入无马的鲜卑大众中，老者们尽力射了些弓矢，横跨就被近身的汉军冲散踩死，女人们试图以血肉阻挡，到底比不过刀剑，而甲骑果真追不上汉军轻骑，只能眼看张飞部在人群中杀入又杀出，如同裁刀划过织布，很快步度根部就彻底崩溃。
新单于不甘心就此回城，令甲骑脱下重甲，他看向这些骑士，见他们都面带汗水与不甘，心中暗自叹说：若是树洛于齐光在身旁便好了。但他面色不变，只对随从说：“男儿怎能死在女人的哭声中呢？让我们一同浴血罢。”骑士们都为此言激励，手持斫刀振臂高呼，而后跟随单于向张飞杀去。但这些骑士身披重甲久了，体力颇为疲累，最终没能改变战局，都为汉军杀了，而步度根对上张飞，他的气力不强，斫刀与蛇矛撞了四五下，手臂便麻得没有知觉，随即被蛇矛捅穿喉咙。
城内的鲜卑残部就此被张飞彻底解决，鲜卑人在汉军阵中厮杀，也把这些都收入眼底，他们不知单于已死，只是议论说：得不到城中支援，接下来将如何作战呢？鲜卑诸帅也没有备案，他们只能传令说，只要杀溃眼前的汉军，总是能胜的，但顾益与令狐渊都收拢一团，利用军营逼仄的地形与鲜卑军斗争，虽然节节败退，但终究无法被吃下。
这时两翼的汉军援军也都到了，拓跋诘汾见到被夹击的形势，不再能再在山上观望，他当即决定先下山增援右翼，打算先击溃较为薄弱的陈冲部。这实在是个错误的抉择，因为他们没能注意到关羽，关羽部轻装从城北处出阵，继而绕了一个大圆到山阴处，他们隐藏身形，快步向白登山前进，只是这条路选得太远，虽是与张飞同时行动，但在拓跋诘汾下山近一个时辰后，他才占据白登山，这时两军厮杀已久，很多兵卒都疲累了，作战最久的顾益与令狐渊两部已处在崩溃的边缘。
算算时间，两军厮杀近四个时辰，从午前一直战到黄昏，日光都要散尽了。此时关羽从白登山奔下，令将士们都高举火炬，照亮他甲胄外的深绿罩袍，苦战的汉军们见关羽进入战场，都兴奋地高呼狂啸，而鲜卑人忽见一支不知数目的骑兵出现在身后，胆气都落尽了，拓跋诘汾与没鹿回窦宾叹说：“他们竟也有援军吗？”于是都放弃战斗，也不管前线继续厮杀的兵卒，向东方散乱又竭力地奔跑。
汉军都战累了，也没有继续追赶，四方的战阵继续合围，将不及逃走的鲜卑士卒们围困在一处，他们杀了片刻，鲜卑人抵挡了片刻，随即谁也不想动手了，剩下的鲜卑人中一个小帅请求投降，汉军也就停了手去通报刘备，刘备也就痛快地应允了，令他们放下武器甲胄，安置在原本的汉军营地中。
另一边张飞已杀入平城内，城内百姓得知单于战死的消息，也请求投降，唯一的请求是允许他们安葬单于。张飞本不愿允许，又在城中多杀了一个时辰，等陈冲得知消息，急令魏延叫停张飞，又将步度根整理遗容后，将尸体还给鲜卑人，他们也就如约投降。
如此一来，历时三月的平城之战终于告一段落，鲜卑近两代人披荆斩棘，才有压制汉军的大好局面，竟被刘备陈冲一战摧毁，漠南、云中、五原、代郡的鲜卑诸部都为之震撼。但他们将何去何从，尚不是陈冲刘备所关心的，破城的第三日，汉军恢复消息，陈冲这才得知天下形势已天翻地覆。
此时众人正在用膳，刘备边翻看张杨的传信，边嚼着刚出锅的胡饼，他将书信递给关羽后，皱眉问陈冲道：“你怎么打算？”