Tình hình ngày càng căng thẳng, Tống Thần Tông và Vương An Thạch quyết chí đánh Đại Việt, tập trung binh lương ở Ung châu. Cuối năm 1075, Lý Thường Kiệt mang quân sang đánh vào các châu vùng biên nhà Tống như Khâm, Liêm, Ung. Sau khi hạ thành giết quân tướng bên Tống (đầu năm 1076), quân Lý rút lui chứ không chiếm đóng.

Vài tháng sau, nhà Tống sai Quách Quỳ, Triệu Tiết khởi đại quân sang đánh Đại Việt. Quân Tống chiếm được nhiều đất đai phía bắc, quân Lý rút về phòng thủ ở phòng tuyến sông Như Nguyệt (sông Cầu). Sau 1 năm giao tranh, cả hai bên đều bị thiệt hại, cuối cùng Quách Quỳ chấp nhận đề nghị “giảng hòa” của phía Đại Việt và lui quân vào tháng 2 năm 1077[36].

Bắc Tống không đạt được mục tiêu thôn tính Đại Việt, cũng không tiêu hủy được binh lực Đại Việt, bản thân quân Tống bị mất 8 vạn phu và 11 vạn chiến binh vì chiến trận và lam chướng, chỉ còn 28.000 người sống sót trở về[37].

Sau khi rút lui, bên Tống còn chiếm đóng các châu Quảng Nguyên, Tư Lang, Tô Mậu, Môn và Quang Lang là những vùng rừng núi phía bắc[38].