陳家谷戰役是宋軍在雍熙北伐失敗後試圖將控制區的百姓內遷，而與收復失土的遼軍發生的遭遇戰。由於宋軍內部意見不一，導致合理的戰術建議遭到否決，最終以戰敗收場。
出兵前，副將楊業建議避免和遼軍決戰，嚮應州進軍，示意切斷遼軍後路，迫使遼軍退往應州，此時朔州百姓可以撤退到石碣谷，宋軍再以強弩守住谷口掩護撤退。而云州百姓在宋軍出發前就通知其南撤到應州，與應州百姓一起向南通過大石路撤回代州。此時宋軍主力與遼軍相持，再派騎兵保護二州百姓撤退，遼軍也不敢越過宋軍主力攻擊撤退的百姓，這樣不用決戰就可以達到戰役目的。但是建議遭到監軍王侁反對，他主張直接進攻寰州，與遼軍進行決戰，擊敗遼軍再掩護百姓撤退，受到另一監軍劉文裕的贊同。楊業表示不可行，王侁則激將說楊業莫非有二心，迫使楊業同意進行主力決戰，並自請爲先鋒以明心志 。
宋軍到達朔州後，遼軍也已趕到。楊業敦請主將潘美在陳家谷口佈陣，自己作爲先鋒繼續前進。遼軍主將耶律斜軫派副將蕭撻凜設伏，自己與楊業交戰後假裝敗退，楊業中伏大敗。監軍王侁派人在高臺眺望戰況，看到楊業追擊遼軍，便率兵前去爭功，潘美不能阻止王侁，於是一起沿着河邊行軍二十里，得知楊業戰敗後又立即撤退而不救援。楊業殺出重圍後且戰且退，到達陳家谷口只剩淄州刺史王貴和兒子楊延玉等殘部百餘人，發現潘美已經撤退，傷心欲絕，勸說部下各自逃命，但大家都慷慨赴死，無人逃難。楊業藏匿於樹林中，被右皮室詳穩耶律奚底射中，墜馬被擒。遼軍主將耶律斜軫責罵楊業，楊業但稱有死而已，又嘆息說受皇帝厚恩，本想立功邊境以報答，卻受奸臣逼迫而戰敗，沒臉苟活人世，於是絕食三天而死。
楊業死後，首級被傳往雲、應二州，當地宋軍棄城而逃。至此，雍熙北伐取得的全部土地百姓被遼軍奪回，宋軍精銳大量戰死，導致宋軍戰鬥力削弱。宋太宗追究戰敗之責，將潘美連降三級貶爲檢校太尉，王侁、劉文裕奪官，王侁發配金州，劉文裕發配登州。又追贈楊業檢校太尉、大同軍節度使，蔭補其子供奉官楊延昭爲崇儀副使，殿直楊延浦、楊延訓爲供奉官，楊延瑰、楊延貴、楊延彬爲殿直。
