宋蒙軍隊是在溫榆河北岸的一片平坦的壙野中列陣對持。
這時六萬五千宋軍以經背靠溫榆河，列好了陣勢。宋軍是由二萬五千騎軍和四萬步軍組成，其中有五千具甲騎兵。騎軍數量達到全軍的近四戌，以經是相當高的比例了。
位於全軍的最前例，是由五千重甲步兵組成的刀陣，橫行展開卻達到五百佘步，分為十列，幾乎覆蓋了宋軍的全部陣列。在步兵刀陣的後方，是由五千具甲騎軍、六千輕騎兵和一萬五千步軍組成的中軍。而在宋軍的兩側各有七千騎兵和一萬步兵，分別位於步兵刀陣後側後方。也在步兵刀陣的保護之內，但戰鬥開始，也可以隨時從步兵刀陣的兩側殺出，與敵軍作戰。
相比之下，蒙古軍的陣勢略顯鬆散一些，這是因為蒙古是全騎兵，因此陣形對蒙古軍來說，並足不太重要。同時鐵朩真對這裏的地形十分滿意，因為在平坦的地勢上,有利於蒙古騎軍的發揮，因此對取得勝利也充滿了信心。而在他的身後，六萬蒙古鐵騎都以經蓄勢侍發。隻等他一聲令下，就衝向五百步開外，背水結陣的宋軍。
而楊炎選擇這裏作戰場，也正是希望在蒙古軍最善長的作戰環境中與他們硬拚一場，隻有這樣，才能狠狠偽攆動蒙古軍的銳氣，達到迫使蒙古軍自動退軍的目地。不過楊炎也知道蒙古軍的野戰能力，因此才特意選擇背水結陣，雖然這樣布陣有些冒險，但也限製了蒙古騎兵的活動範圍，隻能從正麵進攻。而楊炎也對自己手下的宋兵有信心，能夠頂得住蒙古騎兵的衝擊。
在契丹諸將看來，宋軍背水結陣，完全是犯了兵家大忌，可見楊炎不過是浪得虛名之輩。而鐵木真雖然沒有看過中原的兵書，但也知道背水結陣，一但戰事不利，將沒有任何回旋的餘地了。因此也立刻下令，搶先發起了進攻。
隻見從蒙古軍陣列左則殺出一支五千人隊，但並不是向著宋軍的陣列直衝，向右斜衝過來。
原來鐵木真也見識過宋軍這種重甲步兵刀陣的厲害，深知如果用蒙古騎軍去硬衝，隻會損失慘重，否則楊炎也不會背水結陣。因此才使用這種斜衝的方式，希望利用蒙古軍精通騎射的優勢，先用弓箭來打亂宋軍的陣式，然後再對宋軍展開進攻。蒙古軍從左則殺出，繞出一個弧形，然後再回到右則。而在弧頂一帶，就將進入弓箭的射程範圍，對宋軍展開攻擊。
但出乎鐵木真意料的是，在蒙古騎兵還沒有進入到自己的射程範圍之內時，宋軍的弓箭卻搶先開始，對蒙古軍展開了打擊。
隨著宋軍後陣一連串號角的吹響，前列的重甲步兵一下子全都跪伏於地，後排的五千名神弩弓手一齊上前，分為兩拔，對著在宋軍的陣列前穿過的蒙古騎兵輪流開弓放箭。
因為蒙古軍是全騎兵，使用的都是馬弓，射程比一般的步弓要近一些，大約在七十到八十步之間，即使釆用拋射，也很難超過一百步。而宋軍用的卻是神臂弓，平射的射程在一百五十步左右，幾乎是蒙古軍的一倍，而且神臂弓經過改裝之後，利用棘輪來帶動拉弦，發射的頻律以經大大提高，差不多能達到普通弓箭的發射速度，而且宋軍又是分兩輪發射。因此就在蒙古軍離自已的射程還有很大一段距離時，宋軍射出的箭矢就如同密集的雨點一樣，落到了蒙古軍的頭上。
盡管蒙古軍分得較散，而且對是在快速的移動之中，宋軍的命中率並不很高。但宋軍的箭雨太密集，還是能夠射中不少蒙古兵。中箭的戰士從戰馬上摔落下去，很快就被後麵跟上來的戰馬踩成了一團肉泥，隻能夠發出幾聲慘叫。而中箭的戰馬還能夠隨著慣性前衝幾步，然後悲鳴著仆然倒地，將背上的主人也摔倒下來。還有不少本沒有中箭的戰馬，卻是被倒地的同伴跘倒。一時間蒙古軍人仰馬翻，好不熱鬧。
如果蒙古軍是直線衝刺，那麼隻用抗過一兩輪打擊，就能夠進入自己的射程，展開反擊。但蒙古軍走的卻是斜線，無形中路程加大了近一倍，因此在進入射程中，以經承受了宋軍的四五輪打擊。足足挨了一萬多支羽箭。那怕隻有十分之一的命中率，也是一個可怕的傷亡，何況還要加上因為跘倒和踩踏的傷亡，蒙軍的損失以經超過一千五百人。
然而既使是進入了蒙古軍的射程，戰局也並沒有得到多少改觀。因為在宋軍的神臂弓前方，還有步兵刀陣，蒙古軍射過來的箭矢大多數落到了步兵刀陣中。由於有重甲的保護，蒙古軍的弓箭對宋軍的殺傷力並不大，每一輪發射，最多隻能射死十幾名宋兵，即使是有神臂弓手被箭矢射中，但數量也不多，基本不會影響到宋軍的箭雨。而等蒙古軍越過了弧頂之後，跑出了自已的射程，還是要遭到宋軍的追射，又損失不少人馬。
因此等這一輪的蒙古騎兵全部回到自己的右則時，五千人馬隻剩下兩千多人。而宋軍的損失，還不到三百人。