Mùa xuân năm Thiên Bình thứ 4 (537), sau vài năm chuẩn bị chu đáo, Cao Hoan mở chiến dịch tấn công Tây Ngụy, chia làm 3 cánh do Cao Hoan, Đậu Thái và Cao Ngang chỉ huy. Ý định của Hoan là muốn giữ chân Vũ Văn Thái để Đậu Thái đi vòng đánh sâu vào nội địa Tây Ngụy. Nắm được ý định này, Vũ Văn Thái cố ý làm ra vẻ yếu nhược, làm cho Đậu Thái khinh địch, sau đó bất kỳ xuất ý, tập trung lực lượng, dùng quân tinh nhuệ bất ngờ tấn công Đậu Thái tại Tiểu Quan, đại thắng. Đậu Thái tự vẫn, Cao Hoan và Cao Ngang đành rút lui.

Tháng 12, nhân lúc Vũ Văn Thái đánh chiếm Hoằng Nông, Cao Hoan thống lĩnh 20 vạn binh mã tiếp tục đánh Tây Ngụy, từ Hồ Khẩu, ghé Bồ Tân vượt Hoàng Hà, qua Lạc Thủy, tiến đóng mé tây Hứa Nguyên, nhằm thẳng vào Trường An. Vũ Văn Thái tự soái gần vạn [3] người từ Hằng Nông lui về bờ nam Vị Thủy, chỉ mang theo 3 ngày lương thảo, đưa khinh kỵ vượt sông, bày trận phục kích tại Sa Uyển. Chủ quan khinh địch, quân Đông Ngụy tiến vào trận địa phục kích, bị quân Tây Ngụy đánh đại bại, bị giết hơn 6000 người [4], bắt 7 vạn người [5], thu được 18 vạn cỗ giáp [6]. Cao Hoan cưỡi lạc đà chạy suốt đêm trốn thoát đến bờ tây Hoàng Hà.

Sau đại thắng ở Sa Uyển, quân Tây Ngụy thừa thắng tiến chiếm Lạc Dương. Năm 538, Hoan sai Hầu Cảnh và Cao Ngang vây Lạc Dương. Vũ Văn Thái cùng Ngụy Văn đế dẫn quân cứu. Hầu Cảnh và Cao Ngang lui binh, Vũ Văn Thái khinh địch đuổi theo, ngựa trúng tên chết, Thái phải cởi bào phục lẫn vào tàn quân mới khỏi bị bắt. May nhờ có quân cứu viện nên quay lại tái chiến, đánh bại Hầu Cảnh, giết được Cao Ngang. Tuy nhiên, Hoan xua quân Đông Ngụy phản kích, đánh quân Tây Ngụy thua to. Thái và Tây Ngụy Văn đế chạy về Hoằng Nông. Hoan chiếm lại được Lạc Dương.

Năm 543，anh Cao Ngang là Cao Trọng Mật dâng sớ đầu hàng Tây Ngụy, dâng thành Hổ Lao. Cao Hoan giận dữ, thống suất 10 vạn đại quân thảo phạt. Vũ Văn Thái cũng dẫn quân cứu viện Trọng Mật. Ban đầu, Đông Ngụy có đại tướng Bành Nhạc kiêu dũng nên giành được thắng lợi, suýt bắt được Vũ Văn Thái. Hôm sau, Tây Ngụy chiếm được ưu thế, cũng suýt bắt được Cao Hoan. Cuối cùng, do lợi thế binh lực, Đông Ngụy ép quân Tây Ngụy phải lui quân, giành lại Hổ Lao, bình định Bắc Dự Châu và Lạc Châu, nhưng không đủ sức phát triển thắng lợi nên cũng rút quân.

Năm 546, Cao Hoan dốc hầu như toàn bộ binh lực của cả nước đánh Tây Ngụy, tiến đến dưới thành Ngọc Bích,, trấn thành quan trọng của Hà Đông. Tướng Tây Ngụy là Vi Hiếu Khoan kiên thủ thành trì. Quân Đông Ngụy khổ chiến 60 ngày, sĩ tốt tử thương hơn 7 vạn người, đều chôn ở một hố sâu, nhưng vẫn không thể công phá được thành Ngọc Bích. Cao Hoan không làm gì được, quá tức giận và buồn bực mà phát bệnh, cuối cùng đành phải quyết định lui quân.