李继勋突破团柏谷后，进逼太原城。不久后，宋太祖赵匡胤亲临太原前线。宋军对太原发动了一个月的进攻，却进展缓慢。
当时有人对宋太祖建议说，应该增调军队，加大攻城力度。宋太祖尚未回答，只见旁边闪出一人道：“陛下自有数千万兵在左右，为何不用呢？”赵匡胤定睛一看，原来是左神武统军陈承昭。陈承昭的话令宋太祖有几分不解，能上战场的兵都用上，哪来的千军万马呢？陈承昭笑着用马鞭指向汾水，宋太祖望着滚滚河水，会心一笑。
很快，在太原城东南方，一座人工长坝建了起来，拦截汾河水。待水位高时，决堤灌城。汾水灌进太原，给太原军民的生活及防御带来了很大的困难，一边要与宋军作战，一边要在城里抗洪救灾。与此同时，宋军加大外围进攻，李继勋攻城南，赵赞攻城西，曹彬攻城北，党进攻城东。
危在旦夕的太原城并没有沦陷，守城军队以积极出击代替消极防御。特别是北汉悍将刘继业，尽管被降职，可是在太原保卫战中，他表现相当出色，多次领兵偷袭宋军阵地。但是，倘若无外援，北汉将面临灭顶之灾。
契丹人反应迟缓，原因在于国内政局动荡。
辽穆宗意外被刺身亡后，辽人拥立耶律贤为皇帝，是为辽景宗。辽景宗乃是辽国历史上颇有作为的名君，他上台后，废除了穆宗的一些苛政，提拔一批贤才，巩固了自己的权势。此时辽国尚无法全力以赴救援北汉，在太原被围两个月后，才派出一支实力并不算强大的军队救援，但遭到宋军伏击，损失一千人。紧接着，辽国从定州方向入侵大宋，试图以此牵制在北汉作战的宋军主力。然而这一企图又以失败告终，早有防备的韩重赟在嘉山设伏，大破辽军。
宋太祖知道，辽国是不会善罢甘休的，必须要尽快拿下太原。
皇帝亲自出马指挥作战，要是不能攻克，这脸面可不好搁啊。此时已是农历五月，正是盛夏时节，也是河流的丰水期。若是此刻再决河淹城，威力更加巨大。于是宋太祖亲自选址，在太原城北处建坝截流后，将水灌入太原。同时，水军从城东南方向发动强攻。战斗打得极其惨烈，宋军的进攻遭到顽强的阻击，损失惨重。马步军都军头王廷义在战斗中被流矢射中脑袋毙命，殿前都指挥使都虞侯石汉卿中箭后落水溺死，高级将领伤亡尚且这么大，士卒的伤亡更不必说了。
当时太原城的情况是这样的，城南受洪灾最严重，外城基本被淹，内城也开始进水，民心恐慌。北汉守军想方设法要堵住入水口，可是宋军发射密集的箭雨，破坏守军的抢修。最后令太原城得以生存的原因，竟然是漂浮着的水草，这些水草积在城门入水口处，累积多了，居然把入水口也堵塞了。
时间已是闰五月，宋军陈兵于太原城下已历时五个月，能想的招数都用上，连引水灌城都灌了两次，可是太原城还岿然耸立。太原一带成了一片汪洋之地，守城者固然十分吃力，攻城者也不轻松。雨季来临了，宋军驻扎城外草地上，泥泞不堪，卫生条件恶化，上吐下泻的病症开始增多。
更糟糕的是，契丹的生力军出现了。
契丹国内政权平稳过渡，辽景宗终于可以腾出手，大举出兵救援北汉了。辽北院大王乌珍率领精锐骑兵昼夜兼程，兵锋已抵太原西。辽军一路前来，人疲马困，也没有气力马上投入战斗。统帅乌珍要求士兵们擂鼓、点火把、造声势，给太原守军壮胆助威。眼看援军到来，北汉士兵顿时看到了希望，更加坚定守城的决心。
宋太祖赵匡胤面临战或不战的选择。若是选择战，那么胜算几何呢？宋军已经作战半年之久，不仅战斗伤亡大，非战斗减员也不少，这种情况下与精锐辽师相遇，恐怕相当不利。那么撤退又如何？撤退固然不失为明智之选择，只是皇帝亲征，关乎国家朝廷形象，撤退未免面子上过不去。
但大宋是有人才的，太常博士李光赞先拍了皇帝一通马屁：“陛下战无不胜，谋无不臧，四方恃险之邦，僭窃帝王之号者，今与陛下为臣矣。蕞尔晋阳，岂须亲讨？”这是维护了皇帝的威严，保全其颜面。那么要如何打垮北汉呢？李光赞认为只须打经济战，派支军队屯兵上党，“夏取其麦，秋取其禾”，就足以拖垮这个贫瘠之国了。
赵匡胤听了这一番话后，自然喜上眉梢，又询问宰相赵普，赵普同意李光赞的见解。于是宋朝大军从太原撤兵，班师回国。
北汉这根硬骨头，宋太祖终于没能啃动。
然而对北汉的几番攻击，并非一无所获。
在宋军的凌厉攻势下，北汉军事力量遭到重创，国家亦损失严重，这对贫瘠的北汉政权来说，无疑难以承受。北汉虽然赖辽国的支援而自保，但这种支援并非无条件，而是每年都要向辽国进贡大量钱财，使得国用日蹙，入不敷出。大宋天子御驾亲征，虽然没能将北汉从地图上抹去，却也釜底抽薪，把北汉境内的居民大量内迁到山东、河南一带。北汉的国势，从此一天不如一天了。
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