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葫芦川（黄河支流清水河）先期出发。梁乙埋亲率10万夏军精锐扼守磨脐隘（在今宁夏同心境内、清水河边）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，骑兵跟进，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。刘昌祚之父刘贺在定川之役中牺牲，他被录为官，以勇猛善战累官至西上合门使，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。但西夏国相梁乙埋也亲临一线，冒枪顶矢，率夏军苦战。
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，终于崩溃。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15级，小首领219级，生擒梁乙埋之侄吃多理等亲将22人，斩首2460级，获铜印1枚。攻取磨脐隘后，泾原军继续进发至赏移口，有两条路可通灵州：一条径直向北通过黛黛岭，一条往西北绕一点儿路到鸣沙州（今宁夏同心）。诸将认为应该走黛黛岭，但刘昌祚得到谍报称鸣沙州的西夏“御仓”储备了大量物资。宋军攻取鸣沙州后果然掘到御仓，获得粮食百万石。泾原军满载物资来到灵州城下，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450级。然而正当泾原军大队准备攻入时，却传来高遵裕的军令，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处御敌，灵州必然守备不足，可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，全线收缩，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，听说刘昌祚已经攻破灵州，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，心中更加嫉恨刘昌祚。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：“差一点儿就打下来了，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功，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18日不克。18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菱丁率数万兵来援，一名白马将军策马突前，刘昌祚大喊：“谁能杀他！？”郭成率选锋营冲出，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，命中仁多菱丁手臂，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，终于改善了一点儿关系，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。夏军在黄河上游修筑了7级大堤蓄水，此时仁多菱丁决堤放水，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。泾原钤辖种诊向高遵裕进言现在已不可能攻克灵州，再不走就要全部冻死。按宋军纪律，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，高遵裕下令将炮具砍断做桥梁。夏军趁机追杀，却见刘昌祚手提长剑，坐在水上，指挥泾原军抵挡追兵，苦战数日保护其余部队撤到韦州。
但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。各路宋军接到灵州败报后纷纷撤离，除李宪一路有秩序地安全撤回兰州，其余各路都是后勤不继败退的，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，首先将率先带队逃离的种谔部将左班殿直刘归仁处斩，并宣谕全军：士卒们都是千里迢迢为国效忠，理应受到抚恤。
士卒们无不感激，在他的指挥下很有秩序地撤回关内。之后沈括又遣大将曲珍率军出塞，声东击西，击退西夏追兵，不愧为最伟大的科学家。宋神宗懊悔地对孙固说：“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。五路伐夏虽功亏一篑，但百万宋军深入沙漠，表现非常英勇，攻占了兰、银、夏、宥等西夏重镇，尤其是占据了西夏境内经济最发达的米脂地区，更击溃夏军精锐不可胜数，兵临灵州城下，最后因为后勤问题不败而退，着实令人扼腕。