十二月二十四日巳時，鮮卑人飽餐一頓後，在白登山腳結成陣勢，六萬人的隊伍分成五列，他們同時下山進軍，從北往南以此排列是：置鞬莫羅、日律推臣、宴荔遊孤迄侯、沒鹿回竇賓、副伏羅去賓，而拓跋詰汾率一萬人馬，駐留在白登山上總攬全局。
漢軍此時正要用膳，櫛比的軍營裡升起嫋嫋炊煙，臨近年關，今日諸軍加飯，士兵們都頗為高興，他們忽而遠見鮮卑人從山間前來，不由大為掃興，只能先擱置飯食，回到營房中拿出甲冑兵器。這時漢軍以為鮮卑人只是故技重施，大概嘗試一陣便會退軍，但等鮮卑人距離鹿角僅五里時，他們才發現此次大為不同，鮮卑人全軍壓進，一看便要在此地一決生死。
軍司馬顧益看見山間、林間俱是鮮卑的人馬，地上的砂石也隨之躍動，他大為緊張，忙派使者去帥營通報情形，而後又下令敲響戰鼓，鼓聲震耳，士兵們也自覺列陣在鹿角之後，等待鮮卑人的第一輪衝鋒。
近兩月交戰下來，雙方對對方的戰術都算熟稔了。此次鮮卑的前鋒不再是甲騎具裝，而是推著木楯的甲士，他們用麻布包著武靴，踏足在薄冰上，頂著漢軍的箭雨一直向前，目標赫然是漢軍在丘陵處突出的部分鹿角。
但漢軍也做過準備，鮮卑上次突襲之後，顧益也感到此處防禦薄弱，他便在丘陵上設定了三座望樓，且圍著望樓和鹿角再挖了兩圈壕溝，但缺陷在於，他也未料想到鮮卑軍會在此地決戰，以決戰而言，這些佈置顯然遠遠不夠。這些最前列的鮮卑甲士抬著一丈二尺的木楯，一直走到壕溝前，後方的鮮卑射手不斷遠射箭矢，掩護他們將木楯架在壕溝上，此地的漢軍與鮮卑人兵力懸殊，即使以長矛拼命戳刺，也不過拖延了兩刻鐘。不少鮮卑甲士跳入壕溝內，頂著木楯駕上對岸，如此駕成十三座小橋後，鮮卑大軍便成功湧入到鹿角之內，與漢軍進行肉搏廝殺。
顧益在中軍的望樓內遠望這幅場景，心中畏懼到極點，他遙望四周想：傳令的士兵還未回來嗎？但眼中浮現的是更為可怖的景象。在平城之西，漢軍佈置有兩陣一萬兩千人，佔據著長約四里的戰線，一丈內有三四人而已，而此時鮮卑人全線猛攻，每名漢軍都要阻擋四倍於己的敵人，在顧益看來，敵我的對比就如同溪流與狂濤，但即使想向臨近的令狐淵陣求援，令狐淵也無援兵可派了。
他又指揮軍隊勉力阻擋了兩刻，但前線的士卒到底力不從心，壕溝間逐漸湧出越來越多的破口，而丘陵上的望樓都支撐不住，被鮮卑軍攻下後又推倒了，散為一地的滾木。這時後背處傳來一陣粗獷的角聲，平城的城門大開，步度根眼看拓跋詰汾的援軍卓有成效，當即號令城中所有能戰的部民盡數出戰，向顧益部背部發起衝擊，但他們首先也要跨過對內的壕溝，這給了顧益最後的反應時間。顧益也別無選擇，他當即用旗語下令，讓全軍向他靠攏結陣，放任鮮卑大軍突破工事。
拓跋詰汾見漢軍放棄工事，認為這是決定勝負的大好時機，便要將最後的軍隊也壓上去，他對隨他初陣的兒子拓跋力微說:“你母親說你是陰山之子，我也一直當你是壯大我族的驕子，此次你初戰，跟在我身後恐怕遭族人非議，這次衝陣，你就到最顯眼的地方，讓諸部看你殺敵的英姿吧。”拓跋力微時年十六，他非常年輕，身材孔武，更勇於表達自己的意見:“我觀此時局勢，諸部已佔據主動，若是任由戰局發展，便是沒有我部，也能大獲全勝，但敵人尚有八陣未動，如何變陣，實是難以預料的事，不如稍等片刻，看漢人後續手段再說罷。”拓跋詰汾聞言大為訝異，他思慮一番，覺得兒子的意見頗有道理，便讓手下人馬繼續駐留山上，觀察漢軍的變動。
鮮卑人下山時，城南的劉備與陳沖都站在望樓上，遠遠便看見鮮卑人如狼群的攻勢，但他並沒有令諸陣動作，便是顧益軍使到來求救，中郎將也沒有援助，反而是說:“先讓所有的騎士上馬，然後再等一等。”眾人都不明白緣由，等到望樓上望見城東大開城門，步度根率眾殺出時，劉備才再次下令說:“可以破陣了。”陣中的士卒們迅速往壕溝中推土，很快就在壕溝中推出一條兩丈寬的道路來，全軍有一萬騎士，劉備分給張飛四千，讓他們就從此處出發，先去進攻內側出擊的步度根部。而後又分給關羽六千騎士，讓他從城北出陣，繞擊白登山部的鮮卑人。其餘漢軍則盡數開拔，陳沖到城北去，領楊奉、郭大、胡才部襲擊鮮卑人右翼，城西的赫連凡莫、且渠智牙斯、劉宣部隨劉備一齊襲擊鮮卑人左翼。
鮮卑人對此也做過打算，若是剩下的漢軍來援，大概是襲擊左右兩翼，等主攻的日律推臣、宴荔遊孤迄侯、沒鹿回竇賓三部攻入陣中後，置鞬莫羅、副伏羅去賓兩部就地掩護兩翼，拖延時間，只要主攻三部鑿穿漢陣，與單于匯合一處，便可驅逐潰兵，將漢軍圍城的陣勢徹底衝散。
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但單于遇了些問題，步度根率城民衝到漢軍陣前，竟無法衝過內側壕溝，這是因為內側的壕溝比外側寬上兩丈的緣故，挖壕溝的泥土被漢軍堆在陣中，因此漢軍能快速推出土道，而單于只能用笨辦法，在一邊挖土往壕溝中填，只是這樣顯然太慢了，張飛為追趕時間，令部下都著輕甲驅馬，單于不過填了兩刻鐘，便見張飛驅馬快速接近。
張飛部身披輕甲，單于部也沒有多少重甲，最大的戰力便是身前五百甲騎具裝，張飛見狀吩咐說：“不要與甲騎纏鬥，我們殺潰大眾，此戰便是勝了。”於是他們繞過甲騎，直接殺入無馬的鮮卑大眾中，老者們盡力射了些弓矢，橫跨就被近身的漢軍衝散踩死，女人們試圖以血肉阻擋，到底比不過刀劍，而甲騎果真追不上漢軍輕騎，只能眼看張飛部在人群中殺入又殺出，如同裁刀劃過織布，很快步度根部就徹底崩潰。
新單于不甘心就此回城，令甲騎脫下重甲，他看向這些騎士，見他們都面帶汗水與不甘，心中暗自嘆說：若是樹洛於齊光在身旁便好了。但他面色不變，只對隨從說：“男兒怎能死在女人的哭聲中呢？讓我們一同浴血罷。”騎士們都為此言激勵，手持斫刀振臂高呼，而後跟隨單于向張飛殺去。但這些騎士身披重甲久了，體力頗為疲累，最終沒能改變戰局，都為漢軍殺了，而步度根對上張飛，他的氣力不強，斫刀與蛇矛撞了四五下，手臂便麻得沒有知覺，隨即被蛇矛捅穿喉嚨。
城內的鮮卑殘部就此被張飛徹底解決，鮮卑人在漢軍陣中廝殺，也把這些都收入眼底，他們不知單于已死，只是議論說：得不到城中支援，接下來將如何作戰呢？鮮卑諸帥也沒有備案，他們只能傳令說，只要殺潰眼前的漢軍，總是能勝的，但顧益與令狐淵都收攏一團，利用軍營逼仄的地形與鮮卑軍鬥爭，雖然節節敗退，但終究無法被吃下。
這時兩翼的漢軍援軍也都到了，拓跋詰汾見到被夾擊的形勢，不再能再在山上觀望，他當即決定先下山增援右翼，打算先擊潰較為薄弱的陳沖部。這實在是個錯誤的抉擇，因為他們沒能注意到關羽，關羽部輕裝從城北處出陣，繼而繞了一個大圓到山陰處，他們隱藏身形，快步向白登山前進，只是這條路選得太遠，雖是與張飛同時行動，但在拓跋詰汾下山近一個時辰後，他才佔據白登山，這時兩軍廝殺已久，很多兵卒都疲累了，作戰最久的顧益與令狐淵兩部已處在崩潰的邊緣。
算算時間，兩軍廝殺近四個時辰，從午前一直戰到黃昏，日光都要散盡了。此時關羽從白登山奔下，令將士們都高舉火炬，照亮他甲冑外的深綠罩袍，苦戰的漢軍們見關羽進入戰場，都興奮地高呼狂嘯，而鮮卑人忽見一支不知數目的騎兵出現在身後，膽氣都落盡了，拓跋詰汾與沒鹿回竇賓嘆說：“他們竟也有援軍嗎？”於是都放棄戰鬥，也不管前線繼續廝殺的兵卒，向東方散亂又竭力地奔跑。
漢軍都戰累了，也沒有繼續追趕，四方的戰陣繼續合圍，將不及逃走的鮮卑士卒們圍困在一處，他們殺了片刻，鮮卑人抵擋了片刻，隨即誰也不想動手了，剩下的鮮卑人中一個小帥請求投降，漢軍也就停了手去通報劉備，劉備也就痛快地應允了，令他們放下武器甲冑，安置在原本的漢軍營地中。
另一邊張飛已殺入平城內，城內百姓得知單于戰死的訊息，也請求投降，唯一的請求是允許他們安葬單于。張飛本不願允許，又在城中多殺了一個時辰，等陳沖得知訊息，急令魏延叫停張飛，又將步度根整理遺容後，將屍體還給鮮卑人，他們也就如約投降。
如此一來，歷時三月的平城之戰終於告一段落，鮮卑近兩代人披荊斬棘，才有壓制漢軍的大好局面，竟被劉備陳沖一戰摧毀，漠南、雲中、五原、代郡的鮮卑諸部都為之震撼。但他們將何去何從，尚不是陳沖劉備所關心的，破城的第三日，漢軍恢復訊息，陳沖這才得知天下形勢已天翻地覆。
此時眾人正在用膳，劉備邊翻看張楊的傳信，邊嚼著剛出鍋的胡餅，他將書信遞給關羽後，皺眉問陳沖道：“你怎麼打算？”