Năm 576, Bắc Chu Vũ Đế tiến hành một chiến dịch tấn công lớn vào Bắc Tề, chiếm được Bình Dương (平陽, nay thuộc Lâm Phần, Sơn Tây). Cao Vĩ sau đó đã dẫn một đại quân đến để cố tái chiếm Bình Dương- lúc này do tướng Lương Sĩ Ngạn (梁士彥) của Bắc Chu trấn thủ, Cao Diên Tông đã tham gia vào chiến dịch này dưới quyền Cao Vĩ. Khi Bắc Chu Vũ Đế đem quân đến để cố giải vây cho Bình Dương vào hoảng tết năm 577, Cao Vĩ đã giao chiến với Vũ Đế. Tuy nhiên, một thời gian ngắn sau khi bắt đầu cuộc chiến, sủng phi của Cao Vĩ là Phùng Tiểu Liên và sủng thần Mục Đề Bà (穆提婆) đã trở nên yếu bóng vía và thuyết phục Cao Vĩ chạy trốn, khiến quân Bắc Tề sụp đổ. Tuy nhiên, Cao Diên Tông không chịu tổn hại nào và đã có thể rút về bồi đô Tấn Dương (晉陽, nay thuộc Thái Nguyên, Sơn Tây), nơi Cao Vĩ đã chạy trốn đến. Khi Cao Vĩ nói với Cao Diên Tông rằng ông ta có kế hoạch chạy tiếp đến Sóc châu (朔州, nay gần tương ứng với Sóc Châu, Sơn Tây), Cao Diên Tông đã khóc và cố gắng khuyến khích hoàng đế phòng thủ Tấn Dương, song Cao Vĩ đã không nghe theo.

Hai ngày sau đó, khi quân Bắc Ngụy tiếp cận Tấn Dương, Cao Vĩ đã phong cho Cao Diên Tông làm thứ sử của Tĩnh châu (并州, gần tương ứng với Thái Nguyên ngày nay) và giao cho ông phụ trách tàn quân trong vùng, có ý muốn chạy đến Sóc châu, song sau đó đã trở về kinh đô Nghiệp thành.

Trong khi đó, các tướng tại Tấn Dương đều khuyến khích Cao Diên Tông xưng đế, họ nói rằng nếu ông không làm như vậy thì họ sẽ không giao chiến và chết vì ông. Một ngày sau khi Cao Vĩ rời khỏi Tấn Dương, Cao Diên Tông đã chấp thuận và xưng đế. Khi ông làm điều này, thần dân ở khu vực xung quanh đều đến hỗ trợ ông, và ông đã cho mở ngân khố của Cao Vĩ ở Tấn Dương và thưởng châu báu cho binh lính, cùng với thị nữ ở cung Tấn Dương. Ông cũng tịch thu tài sản các hoạn quan được Cao Vĩ sủng ái. Sử sách chép rằng Cao Diên Tông đã đến thăm hỏi binh lính và bắt tay họ, nói về mình bằng tên húy, nhằm nâng cao tinh thần chiến đấu. Trong khi đó, ông cử sứ giả đến chỗ thúc phụ là Nhâm Thành vương Cao Giai (高湝), nói rằng ông xưng đế không vì động cơ cá nhân và rằng Cao Giai nên trở thành hoàng đế. Tuy nhiên, Cao Giai đã không chấp thuận lời đề nghị của Cao Diên Tông, thay vào đó lại bắt giữ sứ giả của Cao Diên Tông và giải đến chỗ Cao Vĩ.

Ngày hôm sau, quân Bắc Chu đến và tiến hành bao vây Tấn Dương. Mặc dù có thân hình béo phì, song Cao Diên Tông đã đích thân giao chiến, và mặc dù ông đã có một số thành công về mặt cá nhân, song các tướng mà ông cho trấn thủ đông môn là Hòa A Can Tử (和阿干子) và Đoàn Sướng (段暢) đã hàng Bắc Chu, khiến Vũ Đế có thể tiến vào thành. Tuy nhiên, khi Vũ Đế làm vậy, Cao Diên Tông đã tiến hành một cuộc tấn công ác liệt, khiến quân Bắc Chu phải chịu một thất bại thảm hại. Vũ Đế cũng gần như vong mạng, song đã có thể rút ra khỏi thành. Cao Diên Tông nghĩ rằng Vũ Đế đã chết và cho tìm kiếm thi thể, song đã không thể tìm thấy. Trong khi đó, các binh lĩnh của ông lại uống rất nhiều rượu để ăn mừng chiến thắng và đã không thể tập hợp lại.

Hai ngày sau đó, Vũ Đế tái tập hợp quân lính và lại tấn công đông môn của Tấn Dương và đã có thể chọc thủng nó. Cao Diên Tông tiến hành kháng cự, song đã kiệt sức và sau đã chạy trốn. Quân Bắc Chu đã đuổi theo và bắt được ông. Vũ Đế đã xuống ngựa và đích thân bắt tay Cao Diên Tông. Ban đầu, Cao Diên Tông từ chối, nói rằng: "Sao một kẻ đã chết có thể ở gần sát bậc tôn quý?" Vũ Đế đáp lại, ngầm công nhận tuyên bố xưng đế của Cao Diên Tông, "Thiên tử lưỡng quốc chiến đấu không ngoài oán thù song đúng hơn là chỉ vì bách tính. Đừng lo sợ, ta nhất định không làm hại ngươi." Vũ Đế bắt Cao Diên Tông phải thay thường phục và đối đãi với Cao Diên Tông một cách tôn trọng, hỏi Cao Diên Tông làm sao để có thể chiếm được Nghiệp thành. Ban đầu, Cao Diên Tông từ chối trả lời, song sau đó đã nói rằng: "Quả nhân không biết những gì sẽ xảy ra nếu Nhâm Thành vương cứu viện và thủ thành, song nếu đích thân Hậu Chủ thủ Nghiệp đô, đương binh thậm chí sẽ không thấy máu trên gươm của họ."