劉武周這次選擇發動突擊的時機，自然是經過了深思熟慮，正好是李唐新軍的隊尾所在。
攻勢一經發動，便把李唐軍的隊列斷做了三節：一節首當其衝正好堵在雁門山口的中段；一節在山道之中，除了結陣自保外也無法突前策應；至於已經走出山口的大部隊距離山口又已經遠了，根本無法迅速回顧隊尾。
但顯然劉武周也沒想到，李唐軍的戰陣會如此的犀利，竟然麵對突厥人的決死衝鋒也能穩住陣腳未曾露出絲毫亂像，反倒是衝進陣中的突厥人越死越多了。
不得已，劉武周也知道機不可失，隻能是下令全軍出擊，親自領著手下的精銳也迅速殺入戰場。
比起輕裝衝鋒的突厥死士，劉武周的本部自然是準備得要更充分一些，首先他手下的主力便是近四千多人的前隋府兵，不但人馬俱甲，且不少精銳操持的還是戰戟、長槊等重兵刃，對步戰盾陣確實具有很大的殺傷性，另外就是這次的伏擊除了要殺傷人員，破壞輜重也是早有預備，因此劉武周軍中也備了不少火油和引火物，如今見盾陣難破幹脆就上了火攻，竟也意外建功。
一時間，在這個雁門山口的區域之內，戰場可謂是一片混亂，但整體而言還是李唐新軍結成的盾陣占據了較大的優勢，雖然偶有單獨的小陣因為吃不住劉武周軍連續不斷的衝擊而瓦解湮滅，但多數盾陣還是頑強的硬抗了下來。
與此同時，走在隊伍最前的李元吉，也在戰鬥展開了差不多一盞茶（十五分鍾）的功夫之後得知了消息，畢竟他所在的隊伍頭部此時距離雁門山口也有十多裏地了，當即他急忙帶著親衛騎兵打馬回援，並命令沿途的新軍就地結陣自守。
說起來也不怪李元吉後知後覺，畢竟是一萬八千多人的隊伍長途行進，整個隊伍綿延的長度足有十五裏還長，加上又是全步卒行軍，被人有機可乘也是難免。
而劉武周在本部加入並混戰了差不多也有一盞茶的時間後，也才發現自己這次很難迅速吃下山口的這批李唐軍，而瞧著遠處已經有李唐軍陣擺好了陣勢準備前來救援，他便當機立斷的下令撤退，不過在走之前卻沒忘記讓人收攏已經在戰場周圍散亂奔走的馬匹和李唐軍運載輜重的騾馬，更讓人用引火物把倒地的騾馬和輜重車上的物資引燃。
也虧得劉武周急中生智的舉動，隨著火焰升騰不少輜重車上的神機箭發射箱也被紛紛點燃，由於沒能打開發射口，也就造成了被引燃的神機箭紛紛在箱體內殉爆，爆炸使現場煙霧升騰的同時也造成了更大的混亂，反倒給劉武周部撤退創造了有利的時機。
等到李元吉領著親軍殺回雁門山口的時候，所瞧見的隻能是一地的死傷，遭襲的第九營連著第八營的六個排，還有第十營的四個排雖然死傷也不算慘重，但他們隨隊攜帶的各類物資以及軍火卻是被破壞殆盡。
而劉武周部付出的代價，差不多也是有四五百騎的突厥輕騎，但由於劉武周軍全是騎兵的關係，撤退的速度也是相當迅速，讓身邊僅有五百騎親衛的李元吉隻能是氣得幹瞪眼。
不過，在李元吉簡單的命人打掃了一下戰場，然後準備再次出發去馳援李建成的時候，在他離開後負責鎮守雁門關的裴寂在得到了遭伏的消息後，卻是命人傳來軍令讓李元吉立即率隊返回雁門關。