于是，他下令齐军填埋壕沟，率军南下。宇文邕大喜，部署各军准备迎头痛击。
两军刚一交手，后主与冯淑妃并马在远处观战。这时，只见齐军东面（即左翼）稍稍后退，冯淑妃见状顿时吓得花容失色，惊呼道：“败了！”身边的录尚书事城阳王穆提婆也连连催促道：“陛下赶紧走！赶紧走！”高纬遂带上冯淑妃一行人逃奔高粱桥。开府仪同三司奚长劝谏说：“部队作战时一会儿前进，一会儿后退，这都非常正常。如今，我军仍然完好无损，陛下脱离大军，又想跑到哪里去！陛下的马蹄一动，军心必然大乱，再难重新振作了！请陛下速速回去安慰军心！”武卫将军张常山随后赶来，他也说：“部队已经收拢完毕，非常严整，我围城部队也坚守阵地，没有松动。陛下应该速速回去，如果不相信臣的话，请派内臣前去查看！”高纬打算听从他的话，但穆提婆却碰了碰高纬的胳膊肘，小声说道：“这话不可信。”于是，高纬遂与冯淑妃一行人向北逃命，绝尘而去。
后主脱离战场后，齐军军心大乱，顿时崩溃，被斩杀了近万人，数百里之内，漫山遍野都是齐军丢弃的辎重兵器，唯独安德王高延宗所部没有损失。
后主逃到洪洞，冯淑妃正对镜梳妆，突然间，后面有人高喊周军来了，于是，后主再次北逃。途中，从晋阳来的宦官们取回了皇后祎衣（祭祀用）、翟衣（朝见用）等，后主停下马来，让冯淑妃又穿上后，才放马而去。行至高壁（今山西省灵石县东南二十五里），后主留下高阿那肱率领一万人马驻守，余下的军队驻守洛女砦（确址不详，当在灵石县境内）。后主与冯淑妃回到了晋阳。当时，北齐洛州刺史独孤永业尚有三万人马，他听说晋阳失陷后曾上书请求从洛阳向周境发起进攻，但他的奏表却石沉大海，一直接不到朝廷的指示，独孤永业非常愤怒。
十二月七日，宇文邕进入平阳城。梁士彦见到宇文邕后，他抚摸着宇文邕的胡须，哭着说道：“臣差一点就再也见不到陛下了！”宇文邕也感动得流下了眼泪。
虽然取得了平阳大战的胜利，但宇文邕并没有一举荡平北齐的信心，他看到周军将士已经十分疲惫，再次打算就此罢手，撤军回国。梁士彦拉住宇文邕的马缰绳劝谏道：“现在，齐军已经溃败，人心动摇，趁着他们胆战心惊，乘胜进攻，肯定能够成功。”宇文邕同意了，他握住他的双手，对他说：“我得到了晋州，这是平定齐国的基础，如果无法固守，大事就不可能成功。我并不担心前面的事，唯恐后方有变，你要用心给我守好！”遂决定追击齐军。众将都不愿再战，一再请求撤军，宇文邕说道：“你们诸位如果还有疑虑，我将独自前往。”众将遂不敢再说。
十二月九日，宇文邕率领周军进抵汾水关。宇文邕率军朝高壁杀来，高阿那肱望风而逃，宇文宪率军进攻洛女砦，将其攻克。
后主高纬逃到晋阳后，既忧且惧，不知如何是好。
十二月十日，他下诏大赦。他向群臣询问对策，大家都说：“应当轻徭薄赋，安慰民心；搜集残兵，背城死战，只有如此，才能解救帝国。”但此时的后主已经吓得魂不附体，哪能听得进去？他打算留下安德王高延宗、广宁王高孝珩驻守晋阳，他自己则逃往北朔州（今山西省朔州市），如果晋阳失守，他就逃到突厥，群臣没一个同意的，但后主不从。
十二月十一日，后主下诏命令安德王高延宗、广宁王高孝珩招募军队。高延宗进宫觐见，后主告诉他自己将要逃往北朔州的打算，高延宗哭着劝谏，但后主不听，暗中派人把皇太后胡氏、太子高恒先送到北朔州。有人称高阿那肱引诱周军前来，后主命侍中斛律孝卿调查，斛律孝卿认为是诬陷；到晋阳后，高阿那肱的心腹又告发他谋反，后主又认为是诬陷，遂斩杀了告发人。
十二月十二日，北周大军已经越过了鼠雀谷天险，北周武帝宇文邕与齐王宇文宪在介休（今山西省介休市）合兵一处。北齐开府仪同三司韩建业献出城池投降，开府仪同三司贺拔伏恩等三十多名宿卫近臣叛逃周军，宇文邕均一一进行了封赏。
当夜，后主打算北逃，但众将不从，他只得勉强留在了晋阳。
十二月十三日，周军即进抵晋阳城下。
当天，后主再次宣布大赦，改元隆化。他任命安德王高延宗为相国、并州刺史，统率山西全部的军队。此时，他逃离晋阳的主意已定，遂对高延宗说：“并州就算哥哥你的了，儿今日逃了！”高延宗说：“陛下念及江山社稷，请千万不要轻举妄动，臣为陛下出死力战斗，必定能击破敌人！”穆提婆在一旁说道：“陛下主意已定，大王不得总是阻挠！”当晚，后主遂率领亲随砍开五龙门，逃出城外，原本打算北逃到突厥，但很多随从官员都不愿意，途中纷纷逃散。领军将军梅胜郎拦住后主的坐骑劝谏，遂折回朝邺城而来。当时后主身边只有高阿那肱等十几人骑着马跟随，稍后又有广宁王高孝珩、襄城王高彦道陆续加入，一行共有数十人。
穆提婆一出城就投降了周军，后主得知后，勒令其母陆令萱自杀，将其家属不分老幼全部诛杀，没收全部家产。宇文邕以穆提婆为柱国、宜州刺史，并下诏对北齐群臣说：“如果你们竭尽全力，又深知天命，前来投奔，我将对你们加官进爵。原来叛逃到你们那里的我军将士，不论贵贱，一概免罪。”从此，北齐各地官员纷纷投降。
并州将士们对安德王高延宗说：“大王不自立为帝，我们大家实在是不会替大王出生入死的。”
十二月十四日，高延宗在不得已的情况下只好登基称帝，他下诏称：“武平（指后主高纬）软弱无能，国家大事全由宦官们控制，如今，又砍开城门连夜逃去，下落不明。我被诸位王公大人们推举，登上了皇帝宝座。”大赦，改元德昌。他一面任命晋昌王唐邕为宰相，齐昌王莫多娄敬显、沭阳王和阿干子、右卫大将军段畅、开府仪同三司韩骨胡等人为将帅；一面派人前往突厥求援。
高延宗即位的消息传来，并州军民纷纷前来投靠。高延宗将晋阳宫中的财物以及宫中美女全部拿出来赏赐给将士们，并没收了十余家宦官的家财。他见到每一位士兵都要亲自握住他们的双手，一一称名道姓，哽咽流泪，城内将士都愿意为他效命，晋阳城内军民同仇敌忾，即使是妇女孩童也都登上房顶，投掷石头砖块，共同抵御周军。
十二月十五日，北周武帝宇文邕来到了晋阳城下。北齐特进、开府那卢安生守太谷（今山西省太谷县），率领一万齐军投降了周军。
十二月十六日，北齐后主高纬逃到了邺城。当他听说安德王高延宗称帝的消息后，对近臣们说：“我宁可让北周得到并州，也不愿安德王得到。”他身边的佞臣们纷纷说：“是这个理。”
周军以战胜之威团团包围了晋阳，放眼望去，晋阳城外全是身穿黑色战袍的周军，如同黑云一般。高延宗命令莫多娄敬显、韩骨胡二人把守城南，和阿干子、段畅负责城东，他亲自率军在城北抵御北周齐王宇文宪。高延宗素来肥胖，大肚子下垂着，走起路来非常笨拙，但此时，他仿佛变了一个人似的，手持长矛来回督战，奔走如飞，无人能挡。尚书令史沮山亦肥大多力，手持长刀紧随其后，杀伤了很多周军，激战中，武卫将军兰芙蓉、綦连延长均战死在沙场。
就在高延宗在城北与敌人激战时，驻守城东的和阿干子、段畅二人竟然率领一千多骑兵出城投降了！北周武帝宇文邕亲自率军来到城东，对东城门发起了猛攻，傍晚时分，周军终于攻进了东门，闯入城中，纵火焚烧了佛寺，顿时火光冲天，亮如白昼。得知东门失守后，高延宗和莫多娄敬显率领城北的军队迂回到东门，尾随周军之后，前后夹击，周军顿时大乱，争相向城外逃去，由于城门狭窄，周军自相践踏，反而堵住了去路。齐军在他们身后猛砍猛杀，杀死了两千余人。
宇文邕身边的卫士几乎全部战死，齐军还在后面追杀，而晋阳城东街道狭窄，地形复杂，眼看无路可走，宇文邕是命悬一线。承御上士张寿牵着马，刚刚投靠周军的贺拔伏恩用鞭子猛抽马后，在贺拔伏恩和另外一名北齐降将皮子信的引导下，一直折腾到当夜四更，宇文邕才侥幸逃出城外，差一点丢掉了性命。