Năm 1068 vua Lý Thánh Tông sửa soạn thêm chiến thuyền (việc giao thông từ thành Phật Thệ tới Đại Việt bằng đường núi theo lời sứ Chiêm tâu với vua Tống phải mất 40 ngày. Vua nhà Tiền Lê trước đây có đào tân cảng và sửa chữa đường sá nhưng xét ra dùng thủy đạo vẫn dễ dàng cho việc chuyển quân hơn. Lực lượng quân sự của Lý triều tất cả có chừng 200 chiếc thuyền, Lý Thường Kiệt được làm Đại tướng đi tiên phong, em Thường Kiệt là Lý Thường Hiến giữ chức Tán kỵ Võ úy.

Ở triều bấy giờ Lý Thánh Tông giao cho Nguyên phi Ỷ Lan và Thái sư Lý Đạo Thành trông coi việc nước. Bảy ngày sau khi rời khỏi Thăng Long các đạo quân Việt đã có mặt ở Nghệ An, ba ngày sau tới phía Nam núi Hồng Lĩnh (Hà Tĩnh), vào hải phận Chiêm Thành.

Năm ngày sau Lý Thường Kiệt tới cửa Nhật Lệ là nơi tập trung của thủy quân Chiêm Thành. Tại Nhật Lệ, một nhóm nhỏ thủy quân Chiêm xông ra chặn quân Việt. Tướng của quân Lý là Hoảng Kiệt đánh lui họ rồi tiến về phía Nam không bị ngăn trở, mục đích của quân Đại Việt là tiến thẳng tới thành Phật Thệ phá kinh đô và bắt quốc vương. Bốn ngày sau nữa tới cửa Tư Dung (nay gọi là Tư Hiền) là cửa sông để vào các đầm phá và sông thuộc Quy Nhơn ngày nay. Quân Lý mất ba ngày nữa, tính tất cả là 26 ngày từ Thăng Long đến đấy.

Thành Phật Thệ[2] ba phía Tây-Nam-Bắc có núi che chở, phía Đông giáp biển. Thủy quân của nhà Lý đổ bộ ở đây. Tướng Chiêm là Bố Bì Đà La dàn trận trên bờ sông Tu Mao (nay gọi là sông Côn) chặn đánh. Quân Lý xông lên giết được Bố Bì Đà La và rất nhiều binh sĩ.

Lý Thường Kiệt vượt được sông Tu Mao, lại qua hai con sông nữa mới tới kinh đô Chiêm Thành. Đang đêm nghe tin quân của mình bại trận ở Tu Mao, vua Chế Củ mang vợ con chạy trốn. Đêm ấy, quan quân nhà Lý tràn vào thành Phật Thệ, đến bến Đồng La, dân ở thành Phật Thệ phải xin hàng[3].

Vua Thánh Tông đánh Chiêm Thành lâu lắm không hạ nổi, bèn đem quân trở về. Đi nửa đường đến châu Cư Liên, vua nghe thấy nhân dân khen bà Nguyên phi ở nhà giám quốc, trong nước được yên trị, Thánh Tông nói: "Người đàn bà trị nước còn được như thế, mà mình đi đánh Chiêm Thành không thành công, thế ra đàn ông hèn lắm sao?"

Vua Thánh Tông quay trở lại đánh Chiêm. Lý Thường Kiệt đem quân theo phía Nam. Tháng tư quân Lý tiến đến biên giới Chân Lạp (Campuchia), qua các vùng Phan Rang, Phan Thiết ngày nay mà tiếng Chiêm gọi là Panduranga. Tháng 4 Lý Thường Kiệt bắt được vua Chế Củ ở biên giới Chân Lạp. Vua Chiêm vốn có cựu thù với nước Chân Lạp nên hết đường chạy phải ra hàng, kết quả là ông bị Lý Thường Kiệt cầm tù. Cuộc đuổi bắt vua Chế Củ mất hết một tháng.

Người có công lớn nhất trong cuộc đại thắng này của nhà Lý là Lý Thường Kiệt.

Tháng 5 Lý Thánh Tông ngự tiệc cùng quần thần ở cung điện của vua Chiêm, vua lại thân hành múa thuẫn và đánh cầu ở nơi thềm điện ấy. Trước khi về nước Thánh Tông còn không quên sai đếm tất cả nhà của dân ở trong và ngoài thành Phật Thệ, gồm có hơn 2.660 căn đều thiêu rụi sạch[3].

Ngày 19 tháng 6 năm Quý Tỵ, thuyền của quân Lý về đến cửa Tư Minh, có lẽ là Tư Dung. Ngày 17 tháng 7 năm Tân Dậu, đạo quân Nam chinh về tới Thăng Long. Vua Thánh Tông lên bộ ngự trên xe, quân thần cưỡi ngựa theo sau. Vua Chiêm mặc áo vải trắng, đầu đội mũ làm bằng cây gai, tay bị trói sau lưng do 5 người lính Võ đô dắt. Quyến thuộc đi sau cũng bị trói. Chế Củ xin dâng 3 châu Bố Chính, Ma Linh và Địa Lý (vùng đất từ dãy Hoành Sơn đến dãy Bạch Mã tương ứng với Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế ngày nay)để chuộc tội nên ông được tha về.

Mùa thu, tháng 7 tại nhà Thái Miếu, vua Lý Thánh Tông dâng trình việc thắng trận. Chiến tranh kết thúc với thắng lợi và mở rộng đất đai của Đại Việt.