首先，元昊展开军事行动后，又派使人送信于范雍，表示自己要与宋朝议和，老夫子“信之，不设备”。同时，元昊猛攻延州外围的李士彬所率各部军事据点。李士彬当时是宋朝的金明都巡检使，他本人就是党项族酋长，掌有十八寨近十万众的彪悍羌兵，驻扎于延州北面的金明寨。对于这个党项老敌手，元昊暗杀计、反间计、奇袭计等等全用个遍，一无所成。最后，反倒是“骄兵计”成，西夏军每逢李士彬交战，没打几下就“溃退”，还高声叫唤：“铁壁相公(李士彬的“外号”)来了，我们赶快逃命吧。”如此一来，李士彬颇为自负。同时，元昊还派遣一批又一批党项部落向李士彬“投降”，面对汹涌而来的党项人，李士彬自己不好处理，就上报“上级”延州老夫子范雍，要求把这些党项降人迁居到远离西北边境的南方安置。范雍文士，没有军事计谋，反想“以夷制夷”，厚赏这些西夏降人，并让李士彬把他们编入金明寨周围的各个军事据点。李士彬不好违背上级命令，只得照办，等于宋朝的各个砦堡安置了为数众多的“定时炸弹”。
果然，安排停当后，一声炮响，元昊诸军突然发动攻击，事先诈降的党项人纷纷而起，金明寨等十余个延州以外的宋朝军士据点皆被西夏人占领，李士彬父子也被擒杀。乘胜优势，元昊大军直至延州城下。
范雍肝胆俱裂，一面命人紧闭四城拒守，一面派人带信急召当时屯守庆州(今甘肃庆阳)的鄜延路副总管刘平和石元孙。刘、石二人闻信苍猝提兵，直趋土门(今陕西安塞)。然后，这部宋军未得休息，又经保安、万安镇向延州方向驰进。鄜延都监黄德和、巡检万俟政以及巡检郭遵都接到范雍的告急书，也同时往延州方向集结。元昊早已得知宋军动向，便在三川口(今延安西北)设下埋伏，静待诸路入套的宋军。
刘平与诸将会合后，集步骑一万多人，结陈东行。走了五里，终于遇见严阵以待的西夏兵。当时，天下大雪，“平地雪数寸”，两军均摆偃月阵，一时相持。很快，西夏军渡水而前，改为横阵，宋将郭遵率骑兵荡阵，“不能入”。刘平指挥宋军全力压上，“杀敌百人”，西夏军退却。忽然，西夏军又“蔽盾为阵”，宋军又发动进攻，“击却之，夺盾，杀获及溺水死者几千人。”混战之中，刘平的脖子和耳朵皆被流矢射穿，血流遍体，乍为小胜，又至日暮时分，宋军兵校纷纷手持人头，牵着所缴获的马匹拥至刘平面前请赏，刘平忙说：“现在敌人未退，你们各部自己人记下功劳，战后一定各加重赏。”话音未落，西夏兵忽然又来一拔，“轻兵薄战”，宋军稍稍引却。其实，时前时却，是对阵交战双方军队非常常见的事情。关键时刻，远居后阵的宋将黄德和心怯，见前军小却，他马上召集麾下往后狂逃。“众从之，皆溃”。完全是一时间的从众心理，本来一直在搏战中占上风的宋军忽然就掉头一齐往后跑。刘平见状，马上派自己的儿子刘宜孙乘马追赶黄德和，拉住他的马疆苦劝：“万望将军勒兵回击，并力击贼，不要再跑。”黄德和不听，纵马驰奔而去。刘平无奈，急遣军校“伏剑遮留士卒，得千余人。转斗三日，贼(西夏军)退还水东。”可见，宋兵此时的战斗力仍很顽强。特别是宋将郭遵，独出奋击，“期必死，独出入行间”，手持大槊横冲直撞，如入无人之境。西夏军知道此将不可当，派数人在一狭窄处持数条长绳欲拦截郭遵，均为这位猛将挥刀斩断。最后，西夏特派一股部队，边斗边佯败，诱郭遵深入，然后万箭齐发，才把这位猛将射死。郭遵上阵时所用铁锏、枪、槊，有九十多斤重，“其后耕者(农民)得其器于战处。”宋廷对这位郭将军非常恽惜，加封其父母，宋仁宗还亲自为其年幼四子起名。
刘平率众退至西南山，“立七栅自固”。半夜，西夏集大兵围攻，“四出千合击，绝官军为二”，苦战不支，宋军绝大部分战死，刘平、石元孙皆为西夏军生俘。
刘平此人，“刚直任侠，善弓马，读书强记”，其父刘汉凝是宋太宗朝功臣。虽出将门，刘平本人进士及第，文武全才，为寇准所知，荐为泸州刺史，数次击平当地夷人的反叛。后来，刘平入朝，任监察御史，多次上书言事，得罪了丁谓。恰逢西北有事，丁谓就向当时的宋真宗“极力推荐”刘平，说：“刘平，将家后代，素知兵，派将西北，可以制敌。”趁机把刘平外放。西北任上，刘平竭心尽力，多次镇压各蕃族的叛乱，还不停上书献计，可惜一直未获采纳。三川口败后，先行逃跑的黄德和竟然反诬刘平率兵降敌，“朝廷发禁兵围其家”。不久事发，黄德和被判腰斩，宋廷认为刘平已经战死，追赠他为朔方节度使，谥壮武，“子孙及诸弟皆优迁”。后来，有附降的党项人来报，称刘平“在兴州未死，生子于贼中”。宋廷还不信。石元孙被西夏放还后，朝廷才知道刘平确实未死。估计老头子是被元昊好吃好喝养起来，当个高级军事顾问什么的。对此，宋廷也未深究，毕竟一直苦战，没有功劳也有苦劳。
三川口之战，西夏虽大胜，但因天降大雪，加之延州城坚，并未能一举攻克延州。不久，得知其余几路西夏军遇败，补给又不济，元昊只得下令退兵。
范雍老夫子也算命好，延州守兵才几百人，竟然能得以保全。当然，三川口大败，他不得辞其咎，“左迁户部侍郎，知安州。”范雍“为治尚恕，好谋而少成”，此类人只宜在朝中当清显之官，真让他干实事其实很难。但范夫子“颇知人，善荐士，后多至公卿者”，是
位好伯乐。宋朝大将狄青为小校时，一次犯法当斩，正犯在范雍手下。范夫子惜才，“贷之”，饶以不死，成就了狄大将军日后的千秋万古英名。
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