秉常被囚、西夏大乱的消息传到宋朝京城汴京后，不少文臣武将都积极主张乘其内乱进行讨伐。他们认为，今夏国内乱，天亡其国，我兴师问罪，正是千载难逢之机。年轻气盛的宋神宗赵顼（xū）也正思振作，加之实行了王安石变法，初步实现了富国强兵的意图，于是便决定发兵西征，名为帮助西夏平定内乱，实则想一举荡平西夏，根除西北边患。
宋五路大军拟围灵州
宋元丰四年（1081年）六月，宋神宗决定派遣五路大军，从东、南、西南3个方面向西夏腹地进攻，直逼其核心地区西平府（即灵州）和兴庆府。计划先攻下灵州，然后直捣其都城兴庆府。东线：签书经略使王中正（宦官）出河东路，延路经略安抚副使种谔出延路，受王中正节制。南线：行营经略使高遵裕出环庆路，泾原路副总管刘昌祚出泾原路，受高遵裕节制。西南线：以秦凤和熙河两路宣庆使李宪（宦官）为经制使，出熙河路。五路人马共约45万人。宋神宗任命李宪为统帅，负责调度各路人马。
面对宋朝五路大军攻夏的严峻形势，梁太后惊惶失措。眼下大夏国把全部兵力拢到一起，也不到30万人，更何况近年来只重文治，不修武备，官兵不谐，堡寨失修，显得更为被动。梁太后召集文武大臣，商量对策。梁乙埋、梁永能等主张与宋军决一死战，独有一老将说：“不必出战硬拼，只要坚壁清野，纵敌深入。在灵、夏二州屯聚劲兵，并派出轻骑兵断其粮道，宋军无食，就可不战自困了。”梁氏采纳了老将军的意见，调集12个监军司中的10万精兵，重点驻防兴、灵各要冲。并在宋军围攻灵州时，截获宋军粮草，断其给养。另外，派专使去辽国，请求辽国出兵牵制宋朝。
东线两路宋军半途溃散
宋元丰四年十月左右，五路宋军向灵州进军。这次灵州战役，以东线宋军发动最早。
九月初，宦官王中正自称“代天子亲征”，率河东路士兵12万人（含民夫6万）从麟州（今陕西神木北）出发，出城数里就是屈野川。刚一过河，王中正就下令停止前进，埋锅造饭，并给朝廷写了一封战报，说是大军已进入西夏境内。其实他们在当地呆了9天，大军一步也没前进，军粮都由士兵从麟州运来。与此同时，延路种谔率兵9.3万人从绥德出发，攻米脂寨。西夏大帅梁永能领兵8万增援，被种谔设伏击败，夏兵相互践踏死者不计其数，致使无定河河道堵塞。宋军占领米脂寨后，银州、夏州不战而取。种谔经朝廷批准，不受王中正节制。
王中正率河东路军尾随延路军来到夏州，驻兵于城东。王中正完全不懂军事，也不懂军饷运输的重要，12万军队只带了半个月的粮食，他认为延路军受他节制，只要行军赶上延路军，就不担心没粮吃。可是现在种谔获准不受他的节制，河东路军便完全失去了军粮补给。他们进入无定河谷后，没有向导，只是望空而行。一路上到处是沙丘沼泽，兵马多被陷没。王中正毫无临战经验，又胆小如鼠，因害怕西夏人发现其宿营地，竟荒唐地禁止驴叫。又强令军中二更天就要熄火，以免西夏人发现火光，因此行军后到的士兵常吃半生不熟的饭菜，致使大批士兵病倒。因延路军行进在前，打胜仗多，获粮也多；河东路军尾随其后，所到之处，西夏军民早已逃光，军粮断绝，士兵怨怒。行军一个多月才到达宥州，夏兵弃城而逃，城中仅留500余家百姓，河东路军杀死百余人报功，又尽杀城中牛羊2000多头充饥。当河东路军到达宥州奈王井（今靖边西）时，军粮完全告竭，士兵死亡2万人。据说王中正也被冻饿而死，可谓自作自受。在昏庸的王中正率领下，河东路军12万士兵和民夫终于半途溃散。种谔的部队虽然连战连捷，但由于西夏全境均已坚壁清野，沿途能抢到的粮食毕竟不多，因此这支9万多人的队伍从夏州出发继续西进时，也已军粮不足了。当部队进驻麻家平（今内蒙古乌审旗南境）时，士卒饥困，皆无人色。种谔把断粮的罪责推在漕运官身上，漕运官无奈，只好说是运粮民夫不堪劳苦而携粮逃走。种谔一怒之下，竟下令把运粮民夫的脚筋割断，致使大批民夫有脚不能走，最终都在荒山野谷中痛苦辗转冻饿而死。此时已是冬天，大雪纷飞，天寒地冻，饥寒交迫的延路军最终在麻家平溃散。出发时的9万多人，逃归入塞者仅3万人。这样，宋朝派出的五路大军中的河东路军和延路军21.3万人马，根本还没有到达西夏腹地就半途溃散了。
南线两路宋军惨败灵州城下
宋朝廷诏令泾源路与环庆路合兵进讨灵州，并命泾源路副总管刘昌祚受环庆路经略使高遵裕节制。泾源路离灵州最近，而且可沿着葫芦河谷地北上（按：葫芦河，又名蔚茹河，即今宁夏南部山区之清水河），道路较好，因此进展最快，在这次大战役中起了主攻作用。西夏方面已料到宋军必定要经过此道，因此调集了大量兵力在葫芦河谷布置阻击。
刘昌祚率泾源路5万人马从原州（今甘肃镇原）出发，沿葫芦河北上，入夏境。西夏国相梁乙埋率3万多人扼守磨脐隘（或称磨哆隘口，在今宁夏海原县城东南）。此地易守难攻，形势险要。宋军进攻受阻后，有几员部将主张转向东北方进取韦州（今宁夏同心县韦州镇），以便同环庆路军会合。刘昌祚驳斥了这种退缩不前的主张，命令分兵强渡葫芦河，夺取磨脐隘。他把盾牌手排在前面，中间是弓弩手，马队殿后。并且开出高额赏金激励官兵作战立功，于是宋军欢声震谷，勇气倍增。刘昌祚亲自手执两面盾牌，弓弩手跟随，同西夏统军梁乙埋大战。自中午战至傍晚，夏军稍稍退却，宋军立即乘机进攻，夏军败退10公里。宋军斩获夏军大首领卧沙、监军使梁格嵬等23人，夏兵死亡2460人。梁乙埋的侄子讫多埋等被俘。刘昌祚率军胜利通过磨脐隘，继续北进。这时高遵裕也率领环庆路军8.7万人北上至韦州。韦州夏军早已跑光，宋军顺利进占韦州。刘昌祚率泾源路军进至赏移口（今宁夏同心县北），直取鸣沙州，抄获夏国御仓藏米100万石后，直奔灵州城。当时刘昌祚率军到达城外时，灵州城门还未关闭，先锋几乎可以夺门而入。刘昌祚认为当时立即攻下灵州城是没有困难的，问题是环庆路军未到，而且高遵裕曾派人带来指令，说是已派使者去灵州招降，不必攻城。刘昌祚只好命令大队人马在灵州城外安营扎寨，以致坐失入城的战机。其实真正的原因是高遵裕的部队尚在韦州，他嫉妒刘昌祚如果先入灵州夺得头功，他这个主帅岂不是很没面子。可是这样一来，高遵裕却帮了西夏的大忙，等到高遵裕的大队人马赶到灵州时，西夏人已做好了充分的准备。
西夏军一面坚守城池，一面派出轻骑抄掠宋军粮饷，断绝粮道。宋军围困灵州18天仍不能破城，这时已进入十一月，宋军饥寒交迫，渐渐支持不下去了。十一月初六，黔驴技穷的高遵裕又命令士兵攻城，并发动士兵向夏军喊话：“你们为什么还不投降？”夏兵回答：“我们不背叛本国。”就在这天深夜，西夏梁太后命令挖开灵州城外的七级渠（即秦家渠），放水淹灌宋营。七级渠高出地面丈余，渠道宽阔，流水湍急，一经决开，灵州城外立即变为泽国。且渠道上连黄河，水源不断。宋军冻溺死者无数。这时宋神宗只得诏令班师。所谓“班师”，已经是名不副实了，因为灵州城外10多万宋军，逃生者仅有1.3万人。当年随从高遵裕出征的监察御使张舜民，亲眼目睹了宋军的惨败，他以悲愤的心情写诗描述了当时战场的景象：
青铜峡里韦州路，十去从军九不回。
白骨似沙沙似雪，凭君莫上望乡台。
西南线宋军半途全师而还
这年八月，李宪率熙河路军10万人出熙州，迂回越过马衔山。马衔山为祁连山余脉，东西走向，横亘在今临洮与兰州、榆中之间，主峰在榆中县的正南方，海拔3670米。10万宋军突然从马衔山上下来，大大出乎西夏军队的预料，据守龛谷寨（亦称康谷寨，今榆中县小康营）的夏军闻风奔溃。八月二十三日，宋军到达西市新城（亦称西使新城，今榆中县三角城），在这里遇到西夏军2万余骑兵的阻击，宋军夺取战马500匹，首战告捷。宋军向北进军兰州途中，又遇西夏军数万屯于汝遮谷（今兰州东榆中县宛川河谷），宋夏双方激战半日。半夜，夏军逃走。九月二日，宋军进占兰州。李宪请准在兰州筑城，建帅府。
十月，熙河路军开到天都山下。天都山即今宁夏海原境内的西华山，这里因为有西夏皇帝的行宫和御仓而成为宋军的攻击目标。宋军在天都山击败西夏都统军星多哩鼎的抵抗，焚毁天都山东坡南牟会的西夏行宫及其馆库，又追袭其溃逃的夏军，俘虏百余人。十一月，熙河路军直逼葫芦河。这时，灵州城下的环庆、泾源两路军已溃败，宋廷急令李宪撤军兰州，“安养士气”。熙河路军终于得全师而还。
这场五路大军远征西夏的战役，从全局看，是以宋朝失败而告终，因为它没有达到预期的军事目的，而且损失军队近40万人。而西夏方面，以保卫灵州为最高作战目标的意图完全实现。宋军初期之所以能较快地进取银、石、夏、宥诸州和兰州古城，是因为这些地区的夏军精锐被调集后方保卫兴、灵的缘故。应该说，西夏取得了胜利。宋朝的失败，在于宋神宗错误估计了形势，轻敌且草率出兵，其失败也是必然的。当时王安石已罢相，朝廷无当此重任的大臣。当宋神宗任命宦官李宪为五路大军的统帅时，曾遭到部分大臣的反对，但终因没有选定合适的人选，最后只好“以宦者为之”，这也是宋军失败的原因之一。特别是环庆路经略使高遵裕嫉贤妒能，贻误战机，致使唾手可得的灵州城最后成为埋葬宋军的坟墓，可悲可叹！
