Năm 1072, vua Lý Thánh Tông qua đời, thái tử Càn Đức mới 7 tuổi lên thay, tức là vua Lý Nhân Tông. Thái phi Ỷ Lan làm nhiếp chính, được sự phò tá của các đại thần Lý Thường Kiệt, Lý Đạo Thành nên tình hình quốc gia vẫn khá ổn định.

Tuy Tống cố gắng giữ bí mật, nhưng tình báo của Đại Việt vẫn nắm được ý đồ của quân Tống. Đặc biệt, năm 1073, một tiến sĩ nhà Tống là Từ Bá Tường vì không được trọng dụng nên đã thông báo với nhà Lý[6]:

Thái úy (Viên quan võ đứng đầu trong triều đình phong kiến Việt Nam đương thời) Đại Việt là Lý Thường Kiệt chủ trương thực hiện một chiến lược đánh đòn phủ đầu[5] nên quyết định tập trung quân bắc tiến.

Năm 1073, Lý Thường Kiệt đã tập trung nhiều quân ở biên giới.

Năm 1074, Vua Tống được tin nhà Lý tụ binh, báo gấp cho Tô Giám, dặn rằng nếu Đại Việt tấn công Ung Châu thì phải kiểm quân cố thủ, không được khinh địch. Đại Việt tính rằng quân Tống có vào Đại Việt tất phải qua Ung Châu theo đường bộ và qua các cửa biển Khâm Châu và Liêm Châu theo đường thủy nên họ quyết tâm phá trước các cứ điểm này của người Tống.

Đại Việt đã huy động hơn 10 vạn quân sang đánh phá căn cứ Ung Châu của Tống, bao gồm cả lực lượng chính quy của triều đình lẫn quân của các thủ lĩnh dân tộc thiểu số miền núi phía Bắc. Đạo quân của triều đình ở phía Đông do đích thân Lý Thường Kiệt chỉ huy, gồm cả thủy lục quân xuất phát từ vùng Móng Cái ngày nay tiến vào đất Tống nhằm tới châu Khâm. Còn đạo quân của các thủ lĩnh dân tộc thiểu số ở phía Tây đặt dưới sự chỉ huy của Tôn Đản chia làm 4 mũi tiến vào đất Tống: Lưu Kỷ từ Quảng Nguyên (Cao Bằng), Hoàng Kim Mãn từ Môn Châu (Đông Khê - Cao Bằng), Thân Cảnh Phúc từ Quang Lang (Lạng Sơn) và Vi Thủ An từ Tô Mậu (Quảng Ninh) và nhắm tới châu Ung.[5] Đạo quân phía Tây sẽ "dương Tây" để đạo quân phía Đông bất ngờ "kích Đông".

Trận châu Khâm-châu Liêm

Ngày 27 tháng 10 năm 1075, Vi Thủ An dẫn 700 quân từ Tô Mậu vào đánh Cổ Vạn, chiếm được trại Cổ Vạn. Tin tức đến tận ngày 21 tháng 12 mới tới được triều đình nhà Tống. Tiếp theo, các mũi quân phía Tây lần lượt đánh chiếm trại Vĩnh Bình, Thái Bình, các châu Tây Bình, châu Lộc, trại Hoành Sơn.[5]

Quân Tống bị thu hút vào phía Tây, nên lơ là phía Đông. Khi đạo quân phía Đông của Đại Việt tập kích, quân Tống đã không chống đỡ nổi. Ngày 30 tháng 12 năm 1075, châu Khâm bị chiếm. Ngày 2 tháng 1 năm 1076, châu Liêm thất thủ.[5] Sau đó, Lý Thường Kiệt dẫn quân đến châu Ung cùng đạo quân phía Tây quyết tâm hạ thành châu Ung.

Trận thành Ung Châu

Từ ngày 10 tháng 12 năm 1075, cánh quân đầu tiên do Tông Đản chỉ huy đã kéo đến Ung Châu. Cánh quân chiếm được Khâm Châu tiến lên Ung Châu. Cánh chiếm được Liêm Châu tiến sang miền Đông Bắc chiếm châu Bạch[7]. Ngày 18 tháng 1 năm 1076, đạo quân của Lý Thường Kiệt cũng tới thành Ung.

Tướng giữ thành là Tô Giám chỉ có 2.800 quân, thấy thế quân Đại Việt mạnh nên đã áp dụng triệt để chính sách cố thủ để chờ viện quân.

Một lực lượng cứu viện của Tống do Trương Thủ Tiết chỉ huy đã đi vòng theo đường Quý Châu tới Tân Châu rồi đến giữ ải Côn Lôn giữa châu Tân và châu Ung. Đến cách Ung 40 km thì lực lượng bị Lý Thường Kiệt cho quân đón đánh. Trương Thủ Tiết, Nguyên Dụ, Trương Biện, Hứa Dự, Vương Trấn là các chỉ huy của lực lượng viện binh nhà Tống đều bị giết tại trận. Việc này vào ngày 4 tháng Giêng âm lịch (tức 11 tháng 2 năm 1076).

Thành Ung kiên cố lại có Tô Giám là tướng giỏi, nên quân Đại Việt đánh phá hơn 40 ngày không hạ được. Sau, quân Đại Việt bắt dân Tống, sai lấy túi đất đắp vào chân thành để leo lên đánh. Ngày 1 tháng 3 năm 1076, sau 42 ngày kiên cường kháng cự[8], thành Ung thất thủ. Tô Giám tự sát. Quân Đại Việt giết hết quân và dân trong thành, tổng cộng khoảng hơn 5 vạn người. Theo Tống sử: "Cứ 100 thây chất làm một đống, cả thảy 580 đống". Quân Đại Việt tổn thất khoảng 1 vạn người. Lý Thường Kiệt ra lệnh tiêu hủy thành lũy, phá kho tàng dự trữ trong vùng Tả Giang và lấy đá lấp sông chặn đường cứu viện của quân Tống.[5]

Đại Việt rút quân

Việc nhà Lý đánh các châu Liêm, Khâm và Ung đã thành công, tiêu diệt khoảng 7-10 vạn quân và dân nhà Tống, và bắt được hàng ngàn người Trung Quốc đem về Đại Việt lầm nô lệ cùng với rất nhiều của cải (vàng, bạc, lụa, vũ khí,...). Sau khi hoàn thành được mục tiêu phá hủy toàn bộ các căn cứ hậu cần của đối phương, quan quân nhà Lý rút về nước.