曹彬、米信在岐沟关溃败之后，雍熙北伐已经宣告失败，潘美和田重进虽然获胜，但也只能撤回关内，已经在平州登陆的海军也全部退入渤海。宋太宗急忙派部队镇守边关，迎回败兵，此时他手下已经无人可用，竟然把宋偓、刘廷让甚至张永德这些早就闲置了的老将请出来带兵，又令潘美军重出雁门关，将所攻占云、应等五州的百姓迁入内地。

在潘美行动之前，耶律斜轸已经通过引蛇出洞的战术收复了蔚州，《辽史 耶律斜轸传》上称斩首数万级，但蔚州守军绝对没有这么多。并且又说他和潘美、贺令图在飞狐正面作战，又斩首数万，但其他史料均显示潘美退回后再也没有亲自出战，应该是错的。另一方面，萧太后已经亲自率军收复了寰州，所率部队有大臣耶律汉宁（据《续资治通鉴长编》，但此人不见别载，疑为耶律斜轸之误）、萧挞凛、南北皮室军、五押惕隐司等，共十余万众，并且都是辽帝国的禁卫精锐。

在宋军参谋会议上，杨业提出一个方案:“先派使者通知云、应、朔州的人，我军离开代州时，云州的人就先跑回来，我军再去应州救人。辽军必然来攻，朔州的人就可以趁机跑进石碣谷，在谷口埋伏三千强弩，并以骑兵辅之，能够抗拒辽军，这样三州的吏民都可以保全了。”这个方案应该说比较现实，但是监军王侁却不同意，认为这样是完全放弃了寰州的人，还说:“我们手握数万精兵，却这么懦弱怯战，应该直出雁门，鼓行至马邑（朔州的一个县），和敌军正面交锋！”军器库使、顺州团练使刘文裕也表示赞成（注意，潘美并未表态赞成）。

杨业认为这样必败无疑，王侁又说:“你不是一直号称‘杨无敌’吗？现在却逗留不前，难道怀有二心？”这话说到了杨业的痛处，因为他是北汉降将，最忌讳人说他不忠于大宋，于是只好答道:“杨业不是怕死，只是战机不利，只能白白牺牲士卒而不能立功，既然各位责我怕死，那我就为诸位先死吧！”然后带本部兵出石峡路，直往朔州。临行前，杨业哭着对潘美说:“我此去必死无疑！杨业本是太原降将，早就该死了，皇上不嫌弃，还授予我兵权，杨家世感皇恩。

我不是避敌不战，而是在等待机会为国家立功，现在是大家说我避敌，那我就死在敌人的前面吧！”然后又指着陈家谷说:“大家在这儿埋伏步弩，并以骑兵辅两翼，如果我命大不死，退回到这里，你们出兵伏击敌军，不然就一个都活不了。”潘美和王侁同意了他这个办法，各自带兵在谷口设伏。

斜轸听说杨业又来攻朔州，令萧挞凛在路上设伏，自己正面应敌，佯败退走。杨业追击，萧挞凛伏兵尽出，斜轸也回师来攻，杨业大败，但是逃回到了陈家谷。然而情况大大出乎他的意料，王侁本来和潘美一起在谷口设伏，但他登高而望，看见斜轸退走，又害怕杨业独占大功，于是要带兵前去攻击。潘美虽为主将，却不能制止。但王侁走了二十里又听到杨业兵败退回，于是径直撤回雁门关内。潘美强烈要求他留在陈家谷口接应杨业，又没有从命。无奈之下，潘美也只好撤回关内，把杨业抛在了敌军的追击之下。

杨业边战边撤，一整天才回到陈家谷口，见伏兵都已经撤走，拊膺恸哭，对士卒大喊道:“此时我军已无活路，只能以身殉国！诸君可愿与我同死？”宋军将士无不为杨业的忠义所感，热血沸腾，返身与辽军再战。杨业的儿子杨延玉挺身在前，杀敌数十，满身负伤，一匹白马都被染成了红马，血尽人亡。73岁的老将岳州刺史（据《续资治通鉴长编》，《宋史》作淄州）王贵亲手射杀数十名敌军，箭支用完，又以空弩击杀数十人，方才壮烈牺牲。

最后宋军将士全部战死，无一投降。杨业奋战到最后一刻，手刃百余辽军，最后战马重伤倒地，终于被擒。《辽史 圣宗本纪》和《耶律奚低传》记载杨业退到狼牙村，藏在林中，被辽军右皮室详稳耶律奚低发现后射死，显然是错误的。杨业被擒后斜轸出了一口恶气，问道:“你号称‘无敌’，与我军作战三十年（他似乎把杨业在后汉军服役，与他作为战友的时间也算上了），今天终于被我抓住了，还有什么话好说？”杨业长叹道:“吾皇待我甚厚，我一直期待破敌以报，但是现在被奸臣所嫉，逼令赴死，导致王师败绩，哪里还有脸面活于世上。”然后绝食三日而死，体现了崇高的民族气节。

战后，杨业的妻子折（shé，音同“佘”）氏不依不挠，要求太宗重处潘美等人，潘美也进行了顽强的辩解。太宗本来就非常痛惜杨业的死，裁定潘美等人有罪，将潘美连降三级，王侁、刘文裕被除名充军。王侁是后周名相王朴之子，却以人品低劣著称，可以说是把王家的脸都丢尽了。杨业被追赠为太尉、大同军节度使，留下的五个儿子都被录为官员，其中最有名的是长子杨延昭（原名杨延朗），日后也成长为对辽作战的主力，而折氏也因其正直敢争名垂青史。