十二月二十四日巳时，鲜卑人饱餐一顿后，在白登山脚结成阵势，六万人的队伍分成五列，他们同时下山进军，从北往南以此排列是：置鞬莫罗、日律推臣、宴荔游孤迄侯、没鹿回窦宾、副伏罗去宾，而拓跋诘汾率一万人马，驻留在白登山上总揽局。
汉军此时正要用膳，栉比的军营里升起袅袅炊烟，临近年关，今日诸军加饭，士兵们都颇为高兴，他们忽而远见鲜卑人从山间前来，不由大为扫兴，只能先搁置饭食，回到营房中拿出甲胄兵器。这时汉军以为鲜卑人只是故技重施，大概尝试一阵便会退军，但等鲜卑人距离鹿角仅五里时，他们才发现此次大为不同，鲜卑人军压进，一看便要在此地一决生死。
军司马顾益看见山间、林间俱是鲜卑的人马，地上的砂石也随之跃动，他大为紧张，忙派使者去帅营通报情形，而后又下令敲响战鼓，鼓声震耳，士兵们也自觉列阵在鹿角之后，等待鲜卑人的第一轮冲锋。
近两月交战下来，双方对对方的战术都算熟稔了。此次鲜卑的前锋不再是甲骑具装，而是推着木楯的甲士，他们用麻布包着武靴，踏足在薄冰上，顶着汉军的箭雨一直向前，目标赫然是汉军在丘陵处突出的部分鹿角。
但汉军也做过准备，鲜卑上次突袭之后，顾益也感到此处防御薄弱，他便在丘陵上设置了三座望楼，且围着望楼和鹿角再挖了两圈壕沟，但缺陷在于，他也未料想到鲜卑军会在此地决战，以决战而言，这些布置显然远远不够。这些最前列的鲜卑甲士抬着一丈二尺的木楯，一直走到壕沟前，后方的鲜卑射手不断远射箭矢，掩护他们将木楯架在壕沟上，此地的汉军与鲜卑人兵力悬殊，即使以长矛拼命戳刺，也不过拖延了两刻钟。不少鲜卑甲士跳入壕沟内，顶着木楯驾上对岸，如此驾成十三座小桥后，鲜卑大军便成功涌入到鹿角之内，与汉军进行肉搏厮杀。
顾益在中军的望楼内远望这幅场景，心中畏惧到极点，他遥望四周想：传令的士兵还未回来吗？但眼中浮现的是更为可怖的景象。在平城之西，汉军布置有两阵一万两千人，占据着长约四里的战线，一丈内有三四人而已，而此时鲜卑人线猛攻，每名汉军都要阻挡四倍于己的敌人，在顾益看来，敌我的对比就如同溪流与狂涛，但即使想向临近的令狐渊阵求援，令狐渊也无援兵可派了。
他又指挥军队勉力阻挡了两刻，但前线的士卒到底力不从心，壕沟间逐渐涌出越来越多的破口，而丘陵上的望楼都支撑不住，被鲜卑军攻下后又推倒了，散为一地的滚木。这时后背处传来一阵粗犷的角声，平城的城门大开，步度根眼看拓跋诘汾的援军卓有成效，当即号令城中所有能战的部民尽数出战，向顾益部背部发起冲击，但他们首先也要跨过对内的壕沟，这给了顾益最后的反应时间。顾益也别无选择，他当即用旗语下令，让军向他靠拢结阵，放任鲜卑大军突破工事。
拓跋诘汾见汉军放弃工事，认为这是决定胜负的大好时机，便要将最后的军队也压上去，他对随他初阵的儿子拓跋力微说:“你母亲说你是阴山之子，我也一直当你是壮大我族的骄子，此次你初战，跟在我身后恐怕遭族人非议，这次冲阵，你就到最显眼的地方，让诸部看你杀敌的英姿吧。”拓跋力微时年十六，他非常年轻，身材孔武，更勇于表达自己的意见:“我观此时局势，诸部已占据主动，若是任由战局发展，便是没有我部，也能大获胜，但敌人尚有八阵未动，如何变阵，实是难以预料的事，不如稍等片刻，看汉人后续手段再说罢。”拓跋诘汾闻言大为讶异，他思虑一番，觉得儿子的意见颇有道理，便让手下人马继续驻留山上，观察汉军的变动。
鲜卑人下山时，城南的刘备与陈冲都站在望楼上，远远便看见鲜卑人如狼群的攻势，但他并没有令诸阵动作，便是顾益军使到来求救，中郎将也没有援助，反而是说:“先让所有的骑士上马，然后再等一等。”众人都不明白缘由，等到望楼上望见城东大开城门，步度根率众杀出时，刘备才再次下令说:“可以破阵了。”阵中的士卒们迅速往壕沟中推土，很快就在壕沟中推出一条两丈宽的道路来，军有一万骑士，刘备分给张飞四千，让他们就从此处出发，先去进攻内侧出击的步度根部。而后又分给关羽六千骑士，让他从城北出阵，绕击白登山部的鲜卑人。其余汉军则尽数开拔，陈冲到城北去，领杨奉、郭大、胡才部袭击鲜卑人右翼，城西的赫连凡莫、且渠智牙斯、刘宣部随刘备一齐袭击鲜卑人左翼。
鲜卑人对此也做过打算，若是剩下的汉军来援，大概是袭击左右两翼，等主攻的日律推臣、宴荔游孤迄侯、没鹿回窦宾三部攻入阵中后，置鞬莫罗、副伏罗去宾两部就地掩护两翼，拖延时间，只要主攻三部凿穿汉阵，与单于汇合一处，便可驱逐溃兵，将汉军围城的阵势彻底冲散。
但单于遇了些问题，步度根率城民冲到汉军阵前，竟无法冲过内侧壕沟，这是因为内侧的壕沟比外侧宽上两丈的缘故，挖壕沟的泥土被汉军堆在阵中，因此汉军能快速推出土道，而单于只能用笨办法，在一边挖土往壕沟中