齐军挖地道攻打平阳，城墙塌陷十几步宽，将士们趁机要冲进去。后主却下令暂停，要召冯淑妃来观看。冯淑妃忙着梳妆打扮，迟迟不到；北周军趁机用木头堵塞了塌陷处，城墙最终没被攻破。当地旧俗相传，晋州城西的石头上有“圣人足迹”，冯淑妃想去看。后主怕箭射到桥上，就拆了攻城的木头造“远桥”。他和冯淑妃过桥时，桥塌了，直到夜里才返回营中。
癸巳日，武帝返回长安；甲午日，又下诏：因齐军包围晋州，要再次率领各路军队征讨北齐。丙申日，武帝释放北齐降兵，让他们返回。丁酉日，武帝从长安出发；壬寅日，渡过黄河，与各路军队会合。十二月丁未日，武帝抵达高显，派齐王宇文宪率领部众先赶赴平阳；戊申日，武帝抵达平阳；庚戌日，各路军队全部集结，共八万人，逐渐推进，在平阳城外布阵，东西绵延二十多里。
此前齐军怕周军突然赶到，在平阳城南挖了壕沟，从乔山连通汾水；后主派出大军，在壕沟北边布阵。武帝命齐王宇文宪骑马前去侦察，宇文宪回来报告：“这股敌人好对付！请允许我先打败他们再吃饭。”武帝大喜，说：“像你说的这样，我就没顾虑了！”
武帝骑着日常的马，带几个人巡视阵地，每到一处就喊出主帅的名字慰问鼓励。将士们因被皇帝记住而欣喜，都想奋勇作战。临战前，官员请求换一匹好马，武帝说：“我单独骑良马，要去哪儿逃呢！”武帝想逼近齐军，却被壕沟挡住。从清晨到申时，双方僵持不下。
后主问高阿那肱：“打还是不打？”高阿那肱答：“我们兵虽多，能打仗的不过十万人，伤病和绕城砍柴做饭的又占三分之一。以前攻打玉壁，一遇援军就退。现在的将士，哪比得上神武帝（高欢）时的精锐！不如不打，退守高梁桥。”安吐根却骂道：“一小撮敌人，骑马过去就能刺死，扔到汾水里就行！”后主犹豫不决。身边的宦官们说：“他是天子，我们也是天子。他能远道而来，我们怎能守着壕沟示弱！”后主说：“这话对！”于是下令填平壕沟，率军向南推进。武帝大喜，下令各军出击。
两军刚交锋，后主就和冯淑妃并马观战。东侧齐军稍稍后退，冯淑妃吓得大叫：“军队败了！”录尚书事、城阳王穆提婆也喊：“皇上快逃！皇上快逃！”后主立刻带着冯淑妃逃往高梁桥。开府仪同三司奚长劝谏：“军队半进半退，是打仗的常态。现在士兵完整无损，陛下弃军逃走，军心一乱就再也无法振作！请赶紧回去安抚将士！”武卫张常山从后面赶来，也说：“军队很快就稳住了，阵容完好，围城的士兵也没动。陛下该回去，要是不信，就派宦官去看！”后主刚要听劝，穆提婆拽着他的胳膊说：“这话不可信！”后主最终还是带着冯淑妃向北逃走。
齐军全线崩溃，战死一万多人，军用物资、兵器器械在几百里内堆积如山。只有安德王高延宗率领的军队完整撤回。
后主逃到洪洞时，冯淑妃还在对着镜子涂粉；后来听到混乱的喊杀声，说“敌人来了”，才又逃走。此前后主因冯淑妃“有功”，要立她为左皇后，已派宦官去晋阳取皇后的礼服、礼帽。这时在半路遇上，后主治住马，让冯淑妃穿上礼服，才继续逃跑。
辛亥日，武帝进入平阳。梁士彦见到武帝，抓着他的胡须流泪说：“臣差点见不到陛下了！”武帝也跟着落泪。
武帝因将士疲惫，想领兵撤回。梁士彦拉住马缰绳劝谏：“现在齐军溃散，军心动摇，趁他们恐惧时进攻，一定能攻克晋阳。”武帝采纳了他的建议，握着他的手说：“我得到晋州，是平定北齐的基础，要是守不住，大事就成不了。我没有前忧，只担心后方有变，你好好替我守住这里！”随后率领众将追击齐军。众将坚持请求西撤，武帝说：“放跑敌人会留下祸患。你们要是怀疑，我就自己去！”众将才不敢再劝。癸丑日，武帝抵达汾水关。
后主逃进晋阳，又怕又慌，不知该去哪儿。甲寅日，北齐宣布大赦。后主向大臣问计，众人都说：“该减轻赋税、停止徭役，安抚民心；收集逃兵，背城死战，保住社稷。”后主想留安德王高延宗、广宁王高孝珩守晋阳，自己逃向北朔州——要是晋阳失守，就投奔突厥。群臣都反对，后主不听。
开府仪同三司贺拔伏恩等三十多名宫中侍卫、近臣向西逃奔周军，武帝按等级给予封赏。
高阿那肱率领的一万士兵驻守高壁，其余部众防守洛女砦。武帝率军进攻高壁，高阿那肱望风而逃；齐王宇文宪攻打洛女砦，将其攻克。有士兵报告“高阿那肱派使者招引周军”，后主命侍中斛律孝卿核查，斛律孝卿认为是谣言。等回到晋阳，高阿那肱的亲信又告发“高阿那肱谋反