当下宋江将九天玄女所授之法牢记在心，并与军师吴用详细计议后，向赵枢密汇报了作战计划。他们在营寨中赶制了二十四部雷车，全部用画板铁叶钉成，下装油柴，上安火炮。他们夜以继日地工作，终于完成了所有的准备工作。
宋江召集所有将领，详细分配了各自的任务。他按照五行生克的原理，将人马分为五方，分别对应中央戊己土、西方庚辛金、南方丙丁火、北方壬癸水、东方甲乙木，每方都有一名主将和若干副将负责。此外，他还特别派遣了一枝绣旗花袍军和一枝素袍银甲军，分别攻打大辽的太阳左军阵和太阴右军阵。最后，他亲自率领一枝悍勇人马，直擒大辽国主。
作战计划已经布置妥当，众将领各自遵命行事。一面继续赶制雷车，装载法物，推到阵前。宋江选定了一个吉日良时，黄昏时分，他率领大军来到辽兵阵前，一字儿摆开阵势。他们用强弓硬弩射住阵脚，等待天色完全黑下来。
当晚，宋江命令士兵们吹响芦笛为号，四路大军同时出动，只留下黄袍军在阵前摆开阵势。这四路大军分别赶杀大辽的哨路番军，绕到辽兵阵脚后面进行包抄攻击。
初更时分，宋江军中连珠炮响，呼延灼、关胜、林冲、秦明等主将分别引军杀入辽兵的后军、中军、左军和右军阵内。他们按照五行生克的原理进行攻击，直取各阵的主将。董平则负责攻打头阵的水星阵。公孙胜在阵中作法祭起五雷助战。
南风大作，吹得树梢垂地、走石飞沙、雷公闪电交加。宋江一声令下，二十四部雷车同时点燃火炮推向辽兵大阵。李逵、樊瑞、鲍旭、项充、李衮等将领率领五百牌手和悍勇军兵护送雷车冲入敌阵进行破坏和杀伤。扈三娘和鲁智深则分别引兵攻入辽兵的太阴阵和太阳阵中进行厮杀。卢俊义则率领一枝军马跟随雷车直奔中军寻找辽军主力进行决战。
这一夜杀得星移斗转、日月无光、鬼哭神号、人兵撩乱。辽兵在宋军的猛攻之下节节败退，损失惨重。
且说兀颜统军正在中军调兵遣将，突然四面喊声震天，宋军从四面八方杀来。他急忙上马，却见雷车已到中军，烈焰冲天，炮声震地。关胜率领的一军已经杀到帐前。兀颜统军急忙拿起方天画戟与关胜大战，但张清不断用石子乱打，使得他身边的将领纷纷中伤逃散。李应、柴进、宣赞、郝思文等人也纵马横刀，大杀四方。
兀颜统军见身边没有了羽翼，拨马向北而逃，关胜紧追不舍。花荣见兀颜统军败逃，也追了上来，搭弓射箭，一箭射中兀颜统军的后心。然而，那箭却射在了护心镜上，被弹开。关胜赶上，挥起青龙刀当头便砍。兀颜统军身披三重铠甲，关胜那一刀只砍透了两层。他再挥一刀，兀颜统军在刀影中闪过，勒马挺起方天戟迎战。两人又斗了几个回合，花荣再次放箭，射中了兀颜统军的耳根，箭穿过了凤翅金冠。
兀颜统军急忙逃走，张清飞马赶上，用石子打向他的头脸。石子飞去，正中兀颜统军的面门，打得他扑在马上拖着画戟而逃。关胜再次赶上，一刀将兀颜统军连腰截骨带头砍下，他跌落马下。花荣抢先到前，换了那匹好马。张清也赶来补了一枪。可怜兀颜统军一世豪杰就此丧命！
与此同时，鲁智深引着武松等六员头领杀入辽兵的太阳阵内。耶律得重想要逃跑却被武松一刀斩首。他的两个孩儿也逃命去了。太阳阵被宋军冲散。鲁智深道：“我们再去中军拿了大辽国主就完事了！”
在辽兵的太阴阵中天寿公主听到四面喊杀声急忙整顿军器上马引女兵迎战。只见一丈青扈三娘舞起双刀杀入帐来与天寿公主交锋。两人斗了数合后一丈青突然放开双刀抢入公主怀内将她揪住两人在马上扭打成一团。王矮虎趁机赶上活捉了天寿公主。顾大嫂、孙二娘在阵内杀散女兵而孙新、张青、蔡庆在外面夹攻。可怜这金枝玉叶的公主却成了被缚的俘虏！
卢俊义则引兵杀到中军解珍、解宝先将“帅”字旗砍翻然后乱杀番官番将。当有护驾大臣与众多牙将紧护大辽国主銮驾往北而逃。阵内的罗?、月孛二位皇侄都被刺死于马下计都皇侄也被活捉而紫气皇侄则不知去向。宋军大兵重重围住辽兵一直杀到四更方才停息此战辽兵二十馀万无一生还。
将近天明时分，各位将领纷纷回营。宋江命令鸣金收兵，安营扎寨，并传令要求生擒的俘虏由各自擒获的将领献上。一丈青扈三娘献上了太阴星天寿公主，卢俊义献上了计都星皇侄耶律得华，朱仝献上了水星曲利出清，欧鹏、邓飞、马麟三人共同献上了斗木獬萧大观，杨林、陈达献上了心月狐裴直，单廷圭、魏定国献上了胃土雉高彪，韩滔、彭玘献上了柳土獐雷春和翼火蛇狄圣。将领们献上的首级不计其数。宋江将生擒的八名将领全部解送到赵枢密的中军收禁，所获得的马匹也分配给各位将领骑坐。
且说大辽国主在慌乱中迅速退回燕京，急忙传下圣旨，紧闭四门，紧守城池，不敢再出城对敌。宋江得知大辽国主已退回燕京，便命令全军拔寨起营，直追到城下，将城团团围住，并派人请赵枢密到后营监临打城。宋江传令在燕京城外竖起云梯炮石，扎下营寨，准备攻城。辽国国主心中恐慌，召集群臣商议对策，大臣们都认为：“事态紧急，不如归降大宋，这是上策。”大辽国主于是听从了众人的建议。于是在城上早早竖起了降旗，并派人到宋营求和，表示愿意年年进贡牛马，岁岁献上珠宝，再也不敢侵犯中国。
宋江领着辽国使者来到后营，拜见赵枢密并转达了辽国的投降意愿以及愿意年年进贡的承诺。赵枢密听后表示：“这是国家大事，投降之事需要由皇上裁决，我不敢擅自作主。如果你们辽国真心投降，可以派遣适当的大臣亲自前往东京朝见天子。只有皇上下旨准许你们辽国投降的表文并降诏赦罪后，我们才敢退兵停战。”使者领了这话便回城向国主复命并奏报了此事。
当下辽国国主召集文武百官商议此事时，右丞相太师褚坚出班奏道：“目前我郎主兵力微弱将领稀少且人马不足如何迎敌？在如此危急之际依我愚见我们应该多用金帛财物进行贿赂以收买人心。我愿意亲自前往宋先锋的营寨内许以丰厚的礼物一方面请求他们停兵罢战免的继续攻城；另一方面我准备礼物径直前往东京贿赂省院诸官让他们在天子面前美言启奏设法斡旋。如今中国蔡京、童贯、高俅、杨戬四个奸臣专权幼主皇帝听信他们四人的主张。我们可以把金帛贿赂送给这四个人买通他们讲和我们必然能够获得皇上的赦罪诏书然后收兵停战。”辽国国主准了褚坚的奏请。
次日褚坚丞相出城来到宋先锋的营寨中。宋江将他接到帐上询问他的来意。褚坚先说了国主投降的事情然后许诺给宋先锋金帛和珍玩等财物。然而宋江却对褚坚说：“我连续多日攻城并不担心打不下你这个城池；相反我会一举歼灭你们以免留下后患。我看见你们城上竖起了降旗才决定停兵罢战。两国交锋自古以来就有投降的先例。我准许你们投降所以才按兵不动给你们时间去朝廷请罪献纳。现在你竟然想用贿赂来收买我看我是何等样的人！你休要再说这样的话！”褚坚听后惶恐不安。宋江又说：“丞相我允许你上国朝京去向皇上请旨裁决。我们在这里按兵不动等待你快去快回你不要迟疑拖延。”
褚坚拜谢了宋先锋，辞别出寨，上马返回燕京，直接来到行宫，向辽国国主奏报了此事。经过众大臣的商议，第二天，辽国君臣收拾了珍玩宝物、金银珠宝、彩缯珍珠等财物，装载上车。辽国派遣丞相褚坚和十五名番官，前往京师朝见。他们一行三十余人，骑着马，带着一道请罪的表章，离开了燕京，来到宋江的营寨内，参见了宋江。
宋江引着褚坚来见赵枢密，向他说明了此事：“辽国现在派遣丞相褚坚，亲自前往京师朝见，告罪投降。”赵枢密留住褚坚，以礼相待。他自来与宋先锋商议后，也动了文书，向天子申报了此事。于是派遣柴进、萧让带着奏章，以及行军公文，前往省院会见相关官员，并陪同丞相褚坚一同前往东京。一路上无话不谈，有诗为证。
他们在路上不止走了一天，终于早早地来到了京师。他们将十车进奉的金宝礼物以及车仗人马安置在馆驿内。柴进、萧让捧着行军公文，先去省院递交了文书，并禀报道：“目前兵马已经围困了燕京，旦夕之间就可以攻破。辽国国主在城上竖起了降旗，现在派遣丞相褚坚前来上表请罪纳降，请求赦免罢兵。我们未敢擅自作主，特来请旨定夺。”省院官说道：“你们暂且让他在馆驿内暂时安歇，等待我们这里从长计议。”
此时蔡京、童贯、高俅、杨戬以及省院的大小官僚都是好利之徒。却说大辽丞相褚坚和众人先找门路，拜访了太师蔡京等四个大臣以及省院各官处，都送了贿赂。他们各自先以门路送上了礼物给各个官员。
第二天早朝时，大宋天子升殿受百官朝贺。拜舞仪式结束后，枢密使童贯出班奏道：“先锋使宋江杀退辽兵直至燕京围住城池攻击旦夕可破。现在大辽国主已经竖起降旗情愿投降并派遣丞相褚坚奉表称臣纳降请罪告求讲和并请求敕令退兵罢战。他们情愿年年进奉不敢有违。我们省院官员不敢擅自作主请陛下圣裁。”天子听后说道：“像这样讲和休兵罢战并保存辽国本国体制你们众位卿家有何意见？”
太师蔡京出班奏道：“臣与众官都已商议过，自古以来，四方的异族并未全被消灭。以臣等愚见，可以保存辽国，作为北方的屏障，成为我们的唇齿之邦。他们年年进贡岁币，对国家有益。应当接受他们的投降请罪，休兵罢战，并诏令回军马，以护卫京师。臣等未敢擅自作主，请陛下圣裁。”天子准奏，传下圣旨让辽国来使面君。
当下有殿头官传令，宣召褚坚等一行来使，都到金殿之下。他们扬尘拜舞，行顿首礼，山呼万岁。侍臣将表章呈上，就在御案上展开。宣表学士高声读道：“大辽国主耶律辉上言：我生长在北方沙漠，不通圣贤大道，也不明白纲常大礼。我身边多有狡诈虚伪、行为恶劣的人，我前后又多是目光短浅、贪婪无厌之辈。由于我昏昧无知，导致部下猖狂，侵犯了大宋的疆土，引来了天兵讨伐。我妄自驱兵遣将，劳烦了大宋王室兴师动众。我自知量力不足，无法撼动大宋如泰山般的稳固，也明白众水必然归于大海的道理。想到我们虽然坚守着几座荒城，但实际上并没有半年的积蓄。因此，我特地派遣使臣褚坚，冒着触犯天威的危险，前来纳土请罪。如果蒙受圣上的怜悯，能够保存我们的祖宗遗业，我们将永远铭记在心，披肝沥胆，永远作为大宋的藩属国，成为天朝的屏障。我们的老老少少，都将获得新生；子子孙孙，都将永远感戴大宋的恩德。我们将进贡岁币，誓不敢违。我们不胜惶恐之至！谨上表以表达我们的诚意。”
宣和四年冬月某日，大辽国主耶律辉上表。徽宗天子看完表文后，阶下群臣都称赞不已。天子命人取来御酒赐给来使。丞相褚坚等人便献上金帛岁币，进献在殿前。天子命令宝藏库收讫，并另外收纳了每年应进贡的牛马等物。天子又回赐了段匹表里等物，并命光禄寺设宴款待。敕令丞相褚坚等人先回辽国：“待寡人派遣官员前去降诏。”褚坚等人谢恩后拜辞了天子出朝回到馆驿。
当天朝会结束后褚坚又派人到各个官员门下重金打点。蔡京也力挺此事并许诺道：“你们放心回去此事都包在我们四人身上。”褚坚感谢了太师后便自回辽国去了。
蔡太师在第二天引领百官入朝向天子启奏请求降下诏书给辽国。天子准奏后急忙命令翰林学士起草诏书一份并就在御前派遣太尉宿元景携带诏书直接前往辽国宣读。另外又命令赵枢密让宋江率领的宋军收兵罢战班师回京；将所有被擒获的辽国人释放回国；原先夺取的城池也全部归还给辽国管理；府库中的各种器具也都交割给辽国管理。天子朝会结束后百官都各自散去。
在第二天省院等各官都来到宿太尉的府上约定日期为他送行。
宿太尉领了诏敕，不敢耽误君命，准备了轿马和随从，向天子辞行，又别了省院的各位官员，就同柴进、萧让一起前往辽国。他们出了京师，朝着陈桥驿的方向进发，一路向边塞行进。此时正值严冬，四野彤云密布，大雪纷飞，银装素裹，一片北国风光。宿太尉一行人马，冒雪顶风，艰难前进，真是“云横秦岭家何在？雪拥蓝关马不前”。
经过一路跋涉，雪渐渐停了，他们也临近了边塞。柴进、萧让先派哨马去报告赵枢密，让他前去通报宋江。宋江见到哨马的报告，便带着酒礼，率领众人出迎五十里，伏道迎接宿太尉。双方相见后，设宴款待，共同商议朝廷之事。
宿太尉在席间说到：“省院等官，如蔡京、童贯、高俅、杨戬等，都受了辽国的贿赂，因此在天子面前极力保奏此事，准许辽国投降，休兵罢战，并诏回军马，守备京师。”宋江听后叹息道：“并非我宋江对朝廷有怨恨，只是我们立下如此功勋，却又成为虚度！”宿太尉安慰道：“先锋不必担忧。我元景回朝后，一定会在天子面前重保你们的功劳。”赵枢密也说道：“有我在此作证，怎肯让你们的功劳白白浪费！”宋江表示：“我们一百零八人，竭力报国，并无异心，也不求希恩望赐。只要众弟兄能够同守劳苦，就已经非常幸运了。如果能够得到枢相的支持，我们将深感厚德。”
当日饮宴结束后，大家都非常高兴。随即差人前往辽国报告消息，准备接诏。第二天，宋江选派了十员大将护送宿太尉进入辽国颁诏。这些大将都是锦袍金甲、戎装革带的英勇之士。他们分别是关胜、林冲、秦明、呼延灼、花荣、董平、李应、柴进、吕方、郭盛。这十员大将引领着三千马步军护持着宿太尉浩浩荡荡地进入辽国国都。燕京的百姓们都排门香花灯烛迎接他们。
辽国国主亲自率领百官文武出南门迎接诏旨一直迎到行宫金銮殿上。十员大将立于左右宿太尉立于龙亭之左辽国国主同百官跪于殿前。随着殿头官的喝拜声辽国国主和文武百官一起拜受诏书。辽国侍郎承恩请过诏书在殿上开读。诏书中写道：“大宋皇帝诏示：三王立位五帝禅宗。无君子莫治野人无野人莫养君子。虽中华而有主焉夷狄岂无君！你们辽国不遵天命数次侵犯我国疆土理应一鼓而灭。但朕现在看到你们的情词怜悯你们的哀切孤苦不忍加诛仍存你们的国家。诏书到达之日即将我军所擒获的将领全部释放回国。原先夺取的城池也全部归还给你们管领。所供岁币务必谨慎勿怠。啊！你们应当敬事大国敬畏天地这是作为藩属国的职责。希望你们能够钦遵此诏示。宣和四年冬月日。”
辽国侍郎读完诏书后辽国国主和百官再次拜谢恩典。行完君臣之礼后抬过诏书龙案辽国国主便与宿太尉相见。双方叙礼完毕后请入后殿设下丰盛的筵席水陆俱备。番官进酒戎将传杯歌舞满筵胡笳声声燕姬美女各奏戎乐羯鼓埙篪胡旋慢舞好不热闹。筵席结束后送宿太尉和众将到馆驿内安歇。当天跟随去的人员都得到了赏赐和犒劳。
次日，辽国国主命令丞相褚坚出城到宋江寨中，邀请赵枢密和宋江一同入燕京赴宴。然而，宋江与军师吴用商议后决定，只请赵枢密入城陪伴宿太尉饮宴，以保安全。当天，辽国国主设下盛大筵席款待朝使，美食佳酿、奇花异果一应俱全。筵席临近结束时，国主还亲自捧出珍宝玩物，献给宿太尉和赵枢密，宴会直到深夜才结束。
第三日，辽国国主召集文武群臣，奏响番戎鼓乐，送太尉和枢密出城回寨。接着又命令丞相褚坚将牛羊、马匹、金银、彩缎等礼物送至宋江军前寨内，大摆宴席犒劳三军，并重重赏赐众将。宋江则传令释放天寿公主一行人回国，并将先前夺得的檀州、蓟州、霸州、幽州依旧归还给辽国管辖。同时，他安排先送宿太尉回京，然后整顿诸军兵马车仗人马，分派人员，由中军军马护送赵枢密先行起程。在宋江的寨内，他自己也设下宴席，一方面犒赏水军头目，另一方面则命令他们乘驾船只从水路先回东京驻扎听调。
宋江再次派人入城，请出辽国的左右二丞相到军中商谈。辽国国主于是命左丞相幽西孛瑾和右丞相太师褚坚来到宋江的行营中军相见。宋江邀请他们上帐分宾主而坐，然后开口道：“我军兵临城下时，本不容你们投降。但如今你们既已投降请罪，我们也就不再追究。只是你们必须年年进贡不得有误。我们现在要班师回朝了，你们要好自为之不要再生事端。如果再有天兵到来定不轻饶！”两位丞相叩首认罪并拜谢宋江的宽恕之恩。宋江再用好言相劝后两位丞相感激而去。
随后宋江拨出一队军兵与女将一丈青等人先行出发，并命令随军的石匠采集石材制作石碑以记录此次征战之事。他让萧让撰写碑文并让金大坚镌刻在石碑上竖立在永清县东一十五里茅山之下作为历史见证至今古迹尚存。
在军队出发之际鲁智深突然来到帐前向宋江请求告假数日前往五台山参拜智真长老并询问前程。宋江听后感到惊讶但也理解他的心情于是与众人商议后决定留下金大坚、皇甫端、萧让、乐和四人协助副先锋卢俊义掌管军马陆续前行；而宋江自己则带领一千余人跟随鲁智深同去五台山参禅拜访智真长老。鲁智深见宋江同意了他的请求非常高兴表示愿意跟随哥哥一同前往。于是宋江等人离开了军营带上名香彩帛、表里金银等供品前往五台山参拜智真长老寻求指引。