劉繼恩不久被殺，劉繼元 (薛釗自殺後，繼恩母親改嫁何氏生繼元，繼元乃繼恩同母異父之弟) 即位，鑑於情勢危急，他在開寶元年 (公元 968 年) 十一月向契丹乞師，契丹遣耶律撻烈率兵馬救援。宋太祖向繼元招降，約定授予平盧節度使，別賜詔書給郭無爲，許諾授予邢州節度使。無為心動 (從他放過北宋間諜惠璘可知)，勸繼元接受，繼元拒絕。李繼勳等聞契丹兵至，引兵南返，北漢大掠晉、絳二州 (此見宋軍不敢正面和契丹為敵)。
外部壓力稍為舒緩，內部即生變亂。劉繼元懷疑妻子段氏被劉鈞的皇后郭氏所殺，「遣其嬖臣范超執而縊殺之」。他又聽信小人讒言，將劉崇最有賢德的兒子劉鎬、劉鐃、劉錫幽禁，未幾將其殺害。
開寶二年 (公元 969 年) 三月，宋太祖決定御駕親征 (魏仁浦勸以「欲速則不達，惟陛下重之。」太祖未有理會) ，命李繼勳等領兵先赴太原，以趙光義留守東京，自己則親自率領部隊從汴京出發。抵達太原，太祖安排「繼勳軍於南，趙贊軍於西，曹彬軍於北，党進軍於東」，北漢劉繼業施以突襲，戰敗而遁。太祖用水淹戰術，「壅 (挖開) 汾、晉二水以灌 (太原) 城」，致使城內人民大為恐慌。郭無爲勸劉繼元出降，繼元不從。
由郭無為痛哭曰：「奈何以空城抗宋百萬之師乎？」，可見北漢難敵宋軍。契丹派兵救援，遭何繼筠、韓重贇打敗 (「夏四月，契丹復救北漢，帝度其必由鎮、定救太原，使韓重贇倍道兼行赴之。又聞其分道，一自石嶺關入，召何繼筠逆擊，授以方略。繼筠遇契丹兵於陽曲，大敗之，斬首千餘級。重贇亦先陣於嘉山，契丹兵自定州西入，見旗幟，大駭欲遁，重贇急擊，大破之，擒其首領三十餘人」)。憲州判官史昭文、嵐州刺史趙文度相繼投降。
根據畢沅記載：「是月，北漢主決城下水，注之台駘澤，水已落而城多摧圮。遼使者韓知范猶在太原，歎曰：『宋師之引水浸城也，知其一而不知其二。若知先浸而後涸，則並人無類矣。』」宋軍似乎對水淹戰術不了解，未能成功用水攻克城防。
加上李懷忠、趙廷翰猛攻太原城不利，以及「帝師 (太祖部隊) 頓 (屯駐) 於甘草地，會暑雨 (適逢暑天多雨)，軍士多疾 (患有疾病)」，太祖於是聽從李光贊和趙普的意見，班師回朝，下令「分兵屯鎮、潞，徙北漢民萬餘戶於山東、河南」。
宋軍倉促撤退，遺下許多軍用物資和糧食，北漢「得粟三萬，茶、絹各數萬，喪敗之餘，賴此少濟 (些微救助)」。
開寶九年 (公元 976 年) 八月，太祖令党進、潘美、楊光美、牛思進、米文義兵分五路攻太原，又遣郭進等分攻忻、代、汾、沁、遼、石等州。諸將逢戰必勝，將抵太原城，劉繼元「急求救於契丹」，宋軍退兵。
宋軍之所以退兵，原來和趙普有關。趙普向太祖建議：「太原當西、北二面，太原既下，則二邊之患我獨當之。不如姑俟削平諸國，則彈丸黑子之地將安逃乎！」主張用北漢太原城做緩衝區，抵擋來自西、北兩面夾擊，讓宋軍安心討平南方各國，太祖認同，故退兵。
[主要參考資料]
1. 陳邦瞻，《宋史紀事本末》。
2. 畢沅，《續資治通鑑》。
