雾散后又沿着无定川去追鄜延军，结果不小心走进沼泽，死了不少人，耽误不少时间。王公公初上战场，心理非常紧张，害怕烟火引来敌军袭击，不许生火做饭，士兵们吃生食，大批病倒。其实种谔在前方开路，西夏人早就跑得没影了。出发前，转运判官庄公岳向河东军发粮，王公公大言不惭只要半个月粮食即可，并且声称就算不够，河东军和鄜延军会合后可以吃他们的粮，庄公岳苦劝不听，多发了8天的粮食，共23天。但是河东军在草原上耽误了不少时间，而且按原计划河东军和鄜延军应该在横山下会合，种谔却已经接到独立进军的诏令，直取夏州，而后方运粮的将官找不到王中正的位置，无法给他补给粮食，不少内地新兵开始逃亡。王公公大怒道:“必竭力前进，死而后已！”率军进攻宥州。其实宥州的守军也早就跑光了，只剩下五百余户居民，王中正入城后杀良冒功，抢夺牛羊充军粮。所幸侦骑发现城外有一个西夏的窖藏，有一千骑兵驻守。王公公大喜，派知府州折克行带兵前去，将其击溃后斩首九百余级总算打了一场胜仗。后方的沈括派景思谊前来接应，河东军总算吃了一口饱饭，退回顺宁砦休整。

灵州城下，功亏一篑

熙河、鄜延两路军连战皆克，高遵裕的环庆、泾原两路也开入夏境。原州就在灵州正南方不远，一直是夏军重点防御的方向。环庆、泾原本应同时出兵，但由于高遵裕迟迟不到，刘昌祚及其副使姚麟率泾原军五万余人沿着葫芦川（黄河支流清水河）先期出发。梁乙埋亲率十万（《西夏书事》称三万）夏军精锐扼守住了磨脐隘（在今宁夏同心境内、清水河边）的险要地势，宋军诸将认为无法攻取，应该向东去韦州（今同心县韦州镇）与环庆军会合。刘昌祚慷慨陈词:“遇贼不击，这是自保，是没有军纪！而且客场作战，必须速战速决，各位现在离开就能自保吗？”于是召开参谋本部会议，制定了盾牌兵在前，神臂弓次之，弩兵再次，骑兵跟随其后，强渡葫芦河夺取隘口的方案，并宣布此战的奖金提高三倍。宋军欢声雷动，响彻山谷，夏军听到不知所措。刘昌祚的父亲刘贺在定川之役中牺牲，他被录为官吏，以勇猛善战累官至西上閤门使，此次被任命为泾原路主将，身先士卒，手执两盾先登，宋军士气大振。但西夏人也明白到了保家卫国的关键时刻，国相梁乙埋亲临一线，冒枪顶矢，带领夏军苦战。激战了整整一个下午，宋军神臂弓的火力实在太猛，夏军渐渐不支，刘昌祚趁机令郭成率选锋骑兵挂着响环从后阵冲出，夏军听到宋骑响声大作，再不能抗，纷纷败退，宋军夺取隘口。梁乙埋督亲军再战，又败，宋军追杀二十余里，斩获大首领鲊啰卧沙、监军使梁格嵬等十五级，小首领二百十九级，生擒梁乙埋之侄吃多理等亲将二十二人，共斩首二千四百六十级，获铜印一枚。

攻取磨脐隘后，泾原军继续进发到赏移口，有两条路可通灵州:一条径直向北通过黛黛岭，一条往西北绕一点路到鸣沙州（今宁夏同心县）。诸将认为应该走黛黛岭，刘昌祚认为军粮已经不多，而他得到谍报鸣沙州的西夏“御仓”储备了大量物资。宋军攻取鸣沙州后果然掘到了御仓，得到粮食百万石，解了燃眉之急。满载着物资泾原军来到灵州城下，夏军还在黛黛岭等他，未料会出现在灵州城下，城门不及关闭，郭成率选锋军急趋，守军不及拒，被斩首四百五十级。然而正当宋军大队将要开入时，却传来了高遵裕的军令，让刘昌祚立即停止进攻。

高遵裕的环庆军动作最慢，十月十三日才从环州洪德砦出发。等到他出兵，韦州监军司的夏军都逃走了，高遵裕入韦州城，命好好招抚百姓。知环州张守约认为夏军现在四出御敌，灵州必然守备不足，可以遣轻兵携十日口粮奇袭，可惜高遵裕没有采纳。及至西夏各路兵败，采取了全线收缩的防守战略，放弃外线，集中兵力防御灵州，奇袭的机会转瞬即逝。但高遵裕带兵直接穿越了旱海（环州到灵州之间的沙漠），也算出其不意，没有遇到抵抗就抵达灵州城下。高遵裕本身就是骄狂自大之人，而在出兵前神宗表示过不喜欢迂阔的刘昌祚，并授权高遵裕可以撤免刘昌祚的军权，所以高遵裕非常轻视刘昌祚。在他进军途中，报称刘昌祚已经攻破灵州，高遵裕慌忙奏称是他派刘昌祚进兵攻克了灵州，上奏后才知道是误传，大大丢了脸面，心中更加忌恨刘昌祚。环庆军抵达灵州后，刘昌祚来见高遵裕，高遵裕故意怠慢，刘昌祚隐忍不发。高遵裕问灵州如何，刘昌祚说:“差一点就打下来了，因为您的军令停止进攻。”又说:“现在灵州是孤城，两军会合后十余万众，加上民兵有三十余万，全力围攻，不日可下。”但高遵裕不愿刘昌祚分了他的功劳，让他带兵巡营，号称自己带一万兵垒个土山就可以攻克，还下令刘昌祚交权给姚麟，但姚麟没有接受。

由于两军不合，而夏军已经被逼到了悬崖边，无不奋力死守，灵州又确实是表里山河的坚城，环庆军连续攻城十八日不克。十八日中不断有援军赶到，刘昌祚将他们一一击退。其中一次西夏名将仁多零丁带领数万兵来援，一名白马将军策马突前，刘昌祚大喊:“谁能杀他！？”郭成带领选锋营冲出，立即将其斩于马下！宋军争相发射神臂弓，刘昌祚也亲自出阵发弩，命中仁多零丁手臂，败退而去。刘昌祚把战利品分了一部分给环庆军，想调解与高遵裕的关系，但是高遵裕异常傲慢的拿钱来买战利品，泾原军一片哗然，几欲兵变，被刘昌祚制止。战争继续拖延，环庆军粮草已尽，刘昌祚又命从鸣沙州取出粮草供应环庆军，但高遵裕还是不领情。他命刘昌祚砍伐树木制造攻城器具，结果能找到的树木都很细小，无法制作器具。高遵裕大怒，要斩刘昌祚，众人苦劝得免。刘昌祚在军前忧愤成疾，范仲淹之子范纯粹当时任转运判官，力劝高遵裕前往探视，终于改善了一点关系，但攻城始终没有进展。高遵裕急切之下，甚至对着城上喊道:“你们怎么还不投降！”西夏人肯定觉得他有病，答道:“你又打不下来，我们为什么要投降？”

这时西夏收缩防御的策略取得了成效，深入大漠的宋军后勤部队纷纷遭到袭击，而战兵进攻也无法缴获物资。李宪的熙河军在取得不错战绩后已经停止进军，种谔的鄜延军进抵盐州（今宁夏盐池）后遇到大雪，冻饿而死的士卒数万，被迫撤回，现在只剩下环庆、泾原两路军还在围攻灵州。虽然缴获“御仓”后军粮不缺，但是进入冬季，三十余万宋军却没有御寒的衣物和薪炭，甚至烧弓箭和旗杆取暖，已经非常困难。夏军在黄河上游修筑了七级大堤蓄水，此时仁多零丁决堤放水，河水奔涌进入宋军营寨。宋军筑堰挡水，但在寒冬的塞北，这么多水是挡不住的。泾原铃辖种诊向高遵裕进言现在已不可能攻克灵州，敌军决堤放水，再不走就要全部冻死。按宋军的纪律，无诏班师要被诛族，但此时高遵裕还是体现了大将风度，道:“以我一人换取两路生灵，还是值得。”于是宋军开始撤离灵州，之前很多干枯的河流现在都充满水，高遵裕命令将砲具砍断作桥梁。夏军趁机追杀，却见刘昌祚手提长剑，坐在水上，指挥泾原军抵挡追击的夏军，苦战数日保护其余部队撤到韦州。但是在进入韦州营寨时宋军还是秩序大乱，被夏军抓住机会痛击，死伤无数。

各路宋军在接到灵州败报后纷纷撤离，除了李宪一路有秩序的安全撤回兰州，其余各路其实都是自身后勤不继败退的，损失非常大。尤其是王中正的河东军军纪全无，十余万人拥塞在延州城下，一度形势非常危险。按理说这些都是逃兵当斩，而且现在作乱的危险很大，有人提议用督战的河东十二将把他们全部屠杀。但是沈括非常妥善的处理了这件事情，首先斩杀了率先带队逃离的种谔部将左班殿直刘归仁，并宣谕全军:士卒们都是远离故土，千里迢迢为国效忠，理应受到抚恤。士卒们无不感激，在他的指挥下很有秩序的撤回关内安置。之后沈括又派大将曲珍率军出塞，声东击西，击退西夏追兵，保护了全军的安全，不愧为最伟大的科学家。

回到朝廷，宋神宗懊悔的对孙固说:“如果当初听你的，不会有今天的大败。”辽帝国也遣使责备宋帝国侵略西夏的举动。高遵裕、刘昌祚、王中正、种谔被贬官处理，李宪则因战功被升官，董毡进封为武威郡王，除了刘昌祚有点冤枉外，功过还算比较分明。

关于元丰五路伐夏的评价，后人往往指出宋神宗听信种谔，轻敌冒进，在没有充分准备的情况下深入不毛之地，必将失败。宋军曾一度围攻灵州让西夏人绝望，但由于高遵裕的傲慢偏见，死里逃生，所以也有很多人认为高遵裕责任最大。至于宋军的损失，各种资料说法不一，反战派说死了几十万人，《西夏简史》说损失四十余万，这些数字都有夸大之嫌，现在很多人考证死伤共二十万的说法比较可信。五路伐夏的功亏一篑又被很多现代人当作“文弱”的证据，但事实上我们可以看到，宋军深入沙漠作战，表现得非常英勇，攻占了兰、银、夏、宥等西夏重镇，击溃夏军精锐不可胜数，尤其是占据了西夏境内经济最发达的米脂地区，兵临灵州城下也是非常值得赞赏的壮举，最后因为后勤问题不败而退，着实令人扼腕。