熙河、鄜延兩路軍連戰皆克，高遵裕的環慶、涇原兩路也開入夏境。原州就在靈州正南方不遠，一直是夏軍重點防禦的方向。環慶、涇原本應同時出兵，但由於高遵裕遲遲不到，劉昌祚及其副使姚麟率涇原軍五萬餘人沿葫蘆川（黃河支流清水河）先期出發。樑乙埋親率10萬夏軍精銳扼守磨臍隘（在今寧夏同心境內、清水河邊）險要地勢，宋軍諸將認爲無法攻取，應該向東去韋州（今同心縣韋州鎮）與環慶軍會合。劉昌祚慷慨陳詞：“遇賊不擊，這是自保，是沒有軍紀！而且客場作戰，必須速戰速決，各位現在離開就能自保嗎？”於是召開參謀本部會議，制定了盾牌兵在前，神臂弓次之，弩兵再次，騎兵跟進，強渡葫蘆河奪取隘口的方案，並宣佈此戰的獎金提高三倍。宋軍歡聲雷動，響徹山谷，夏軍聽到不知所措。劉昌祚之父劉賀在定川之役中犧牲，他被錄爲官，以勇猛善戰累官至西上合門使，此次被任命爲涇原路主將，身先士卒，手執兩盾先登，宋軍士氣大振。但西夏國相樑乙埋也親臨一線，冒槍頂矢，率夏軍苦戰。
激戰了整整一個下午，宋軍神臂弓的火力實在太猛，夏軍漸漸不支，劉昌祚趁機令郭成率選鋒騎兵掛着響環從後陣衝出，夏軍聽到宋騎響聲大作，終於崩潰。樑乙埋督親軍再戰，又敗，宋軍追殺二十餘里，斬獲大首領鮓囉臥沙、監軍使樑格嵬等15級，小首領219級，生擒樑乙埋之侄吃多理等親將22人，斬首2460級，獲銅印1枚。攻取磨臍隘後，涇原軍繼續進發至賞移口，有兩條路可通靈州：一條徑直向北通過黛黛嶺，一條往西北繞一點兒路到鳴沙州（今寧夏同心）。諸將認爲應該走黛黛嶺，但劉昌祚得到諜報稱鳴沙州的西夏“御倉”儲備了大量物資。宋軍攻取鳴沙州後果然掘到御倉，獲得糧食百萬石。涇原軍滿載物資來到靈州城下，夏軍還在黛黛嶺等他，未料會出現在靈州城下，城門不及關閉，郭成率選鋒軍急趨，守軍不及拒，被斬首450級。然而正當涇原軍大隊準備攻入時，卻傳來高遵裕的軍令，讓劉昌祚立即停止進攻。高遵裕的環慶軍動作最慢，十月十三日才從環州洪德砦出發。等到他出兵，韋州監軍司的夏軍都逃走了，高遵裕入韋州城，命好好招撫百姓。
知環州張守約認爲夏軍現在四處禦敵，靈州必然守備不足，可遣輕兵攜十日口糧奇襲，可惜高遵裕沒有采納。及至西夏各路兵敗，全線收縮，放棄外線，集中兵力防禦靈州，奇襲的機會轉瞬即逝。但高遵裕帶兵直接穿越了旱海（環州到靈州之間的沙漠），也算出其不意，沒有遇到抵抗就抵達靈州城下。高遵裕本身就是驕狂自大之人，而在出兵前神宗表示過不喜歡迂闊的劉昌祚，並授權高遵裕可以撤免劉昌祚的軍權，所以高遵裕非常輕視劉昌祚。在他進軍途中，聽說劉昌祚已經攻破靈州，慌忙奏稱是他派劉昌祚進兵攻克了靈州，上奏後才知道是誤傳，大大丟了臉面，心中更加嫉恨劉昌祚。環慶軍抵達靈州後，劉昌祚來見高遵裕，高遵裕故意怠慢，劉昌祚隱忍不發。高遵裕問靈州如何，劉昌祚說：“差一點兒就打下來了，因爲您的軍令停止進攻。”又說，“現在靈州是孤城，兩軍會合後十餘萬衆，加上民兵有三十餘萬，全力圍攻，不日可下。”但高遵裕不願劉昌祚分功，讓他帶兵巡營，號稱自己帶一萬兵壘個土山就可以攻克，還下令劉昌祚交權給姚麟，但姚麟沒有接受。
由於兩軍不合，而夏軍已經被逼到懸崖邊，無不奮力死守，靈州又確實是表裡山河的堅城，環慶軍連續攻城18日不克。18日中不斷有援軍趕到，劉昌祚將他們一一擊退。其中一次西夏名將仁多菱丁率數萬兵來援，一名白馬將軍策馬突前，劉昌祚大喊：“誰能殺他！？”郭成率選鋒營衝出，立即將其斬於馬下！宋軍爭相發射神臂弓，劉昌祚也親自出陣發弩，命中仁多菱丁手臂，敗退而去。劉昌祚把戰利品分了一部分給環慶軍，想調解與高遵裕的關係，但高遵裕異常傲慢的拿錢來買戰利品，涇原軍一片譁然，幾欲兵變，被劉昌祚制止。戰爭繼續拖延，環慶軍糧草已盡，劉昌祚又命從鳴沙州取出糧草供應環慶軍，但高遵裕還是不領情。他命劉昌祚砍伐樹木製造攻城器具，結果能找到的樹木都很細小，無法制作器具。高遵裕大怒，要斬劉昌祚，衆人苦勸得免。劉昌祚在軍前憂憤成疾，范仲淹之子範純粹當時任轉運判官，力勸高遵裕前往探視，終於改善了一點兒關係，但攻城始終沒有進展。
高遵裕急切之下，甚至對着城上喊道：“你們怎麼還不投降！”西夏人肯定覺得他有病，答道：“你又打不下來，我們爲什麼要投降？”這時西夏收縮防禦的策略取得成效，深入大漠的宋軍後勤部隊紛紛遭到襲擊，而戰兵進攻也無法繳獲物資。李憲的熙河軍在取得不錯戰績後已經停止進軍，種諤的鄜延軍進抵鹽州（今寧夏鹽池）後遇到大雪，凍餓而死的士卒數萬，被迫撤回，現在只剩下環慶、涇原兩路軍還在圍攻靈州。雖然繳獲“御倉”後軍糧不缺，但進入冬季，三十餘萬宋軍卻沒有禦寒的衣物和薪炭，甚至燒弓箭和旗杆取暖。夏軍在黃河上游修築了7級大堤蓄水，此時仁多菱丁決堤放水，河水奔涌進入宋軍營寨。宋軍築堰擋水，但在寒冬的塞北，這麼多水是擋不住的。涇原鈐轄種診向高遵裕進言現在已不可能攻克靈州，再不走就要全部凍死。按宋軍紀律，無詔班師要被誅族，但此時高遵裕還是體現了大將風度，道：“以我一人換取兩路生靈，還是值得。”於是宋軍開始撤離靈州，之前很多幹枯的河流現在都充滿水，高遵裕下令將炮具砍斷做橋樑。夏軍趁機追殺，卻見劉昌祚手提長劍，坐在水上，指揮涇原軍抵擋追兵，苦戰數日保護其餘部隊撤到韋州。
但在進入韋州營寨時宋軍還是秩序大亂，被夏軍抓住機會痛擊，死傷無數。各路宋軍接到靈州敗報後紛紛撤離，除李憲一路有秩序地安全撤回蘭州，其餘各路都是後勤不繼敗退的，損失非常大。尤其是王中正的河東軍軍紀全無，十餘萬人擁塞在延州城下，一度形勢非常危險。按理說這些都是逃兵當斬，而且現在作亂的危險很大，有人提議用督戰的河東十二將把他們全部屠殺。但是沈括非常妥善的處理了這件事情，首先將率先帶隊逃離的種諤部將左班殿直劉歸仁處斬，並宣諭全軍：士卒們都是千里迢迢爲國效忠，理應受到撫卹。
士卒們無不感激，在他的指揮下很有秩序地撤回關內。之後沈括又遣大將曲珍率軍出塞，聲東擊西，擊退西夏追兵，不愧爲最偉大的科學家。宋神宗懊悔地對孫固說：“如果當初聽你的，不會有今天的大敗。”遼帝國也遣使責備宋帝國侵略西夏的舉動。高遵裕、劉昌祚、王中正、種諤被貶官處理，李憲則因戰功被升官，董氈進封爲武威郡王，除了劉昌祚有點冤枉外，功過還算比較分明。五路伐夏雖功虧一簣，但百萬宋軍深入沙漠，表現非常英勇，攻佔了蘭、銀、夏、宥等西夏重鎮，尤其是佔據了西夏境內經濟最發達的米脂地區，更擊潰夏軍精銳不可勝數，兵臨靈州城下，最後因爲後勤問題不敗而退，着實令人扼腕。