Ngày 18 tháng 1, quân Tống tới bờ Bắc sông Như Nguyệt, đối diện với tuyến phòng thủ chủ lực của quân Đại Việt. Quân Tống không đánh ngay mà đợi đạo thủy quân tới để hợp đồng tác chiến vượt sông. Trong khi chờ, đại quân Tống chia làm hai cánh. Cánh phía Tây do Triệu Tiết chỉ huy đóng tập trung ở vùng này là Hiệp Hòa. Cánh phía Đông do Quách Quỳ chỉ huy đóng tập trung ở vùng có thể nay là thành phố Bắc Ninh. Ở giữa hai điểm tập trung trên, quân Tống còn chiếm một số vị trí là các gò cao.
Chờ thủy quân không thấy, lục quân Tống quyết định tấn công. Quân Tống đã tổ chức 2 đợt tấn công lớn. Đợt thứ nhất đã chọc thủng được phòng tuyến của Đại Việt. Nhưng do tiến quân quá nhanh, lực lượng Tống thâm nhập khoảng 1.000-2.000 quân trở nên đơn độc và khi tiến đến vùng Sóc Sơn ngày nay thì bị quân Đại Việt vây đánh phải rút lui, chịu tốn thất khoảng 1.000 người. Đợt thứ hai, quân Tống đóng bè lớn để đưa quân sang bờ Nam sông Như Nguyệt, nhưng đợt nào sang cũng bị tiêu diệt gần hết. Quân Tống, sau 2 đợt tấn công thất bại đành tiếp tục đợi thủy quân đến.
Sau 2 tháng, thấy quân Tống có dấu hiệu mết mỏi, quân Đại Việt phản công. Ban đầu, quân Đại Việt tổ chức tấn công vào cánh của Quách Quỳ, song đã chịu thất bại. Hai hoàng tử nhà Lý là Lý Hoằng Chân và Lý Chiêu Văn đã hy sinh. Sau thất bại này và nhận thấy quân Tống đang tập trung chú ý vào mặt trận phía Đông, quân Đại Việt liền tổ chức vượt sông đánh bất ngờ vào cánh quân phía Tây của Triệu Tiết. Trận này, quân Đại Việt thắng lớn. Trong khi quân Tống rối loạn vì cánh phía Tây bị tập kích, quân Đại Việt tiếp tục đổ bộ đánh vào cánh quân phía Đông.
