雍熙三年（986年），宋太宗决定北伐辽国，收复燕云十六州。以忠武军节度使潘美为云、应路行营都部署，任西路军主将，杨业为副主将，西上阁门使、蔚州刺史王侁，军器库使、顺州团练使刘文裕为护军。
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各路大军接连攻下了云州、应州、寰州、朔州四个州，军队驻扎在桑乾河边，恰逢东路曹彬的部队出师不利，在岐沟关之战中惨败，各路军马都被撤回，潘美等人回到代州。
不久，朝廷下诏把这四个州的百姓迁徙到内地，命令潘美等人带领部下的军队保护百姓。
当时辽朝萧太后和大臣耶律汉宁、南北皮室以及五押惕隐率领军队十多万人，再次攻陷了寰州。杨业对潘美等人说：“辽兵兵力和士气很旺盛，不能和他们交战。朝廷只是让我们护送这几个州的百姓，只需带领部队从大石路出发，先派人秘密告诉云州、朔州的守将，等到大军离开代州的那天，命令云州的军民先出发。我的部队驻扎在应州，契丹人必然来抵抗，就下令让朔州百姓出城，直接进入石碣谷。派一千弓箭手埋伏在谷口，命骑兵在中路支援，那么三州的百姓，就能够万无一失了。”
王侁反驳他的建议说：“带领好几万精兵却如此畏惧怯懦。只需直奔雁门北川，大张旗鼓的前进。”刘文裕也赞成王侁。
杨业说：“不行，这样一定会失败。”
王侁说：“将军一直号称‘无敌’，看到敌人却犹豫不前，难道有别的心思吗？”
杨业说：“我不是怕死，只是时机对我们不利，白白让士卒死伤却立不了功。您责怪我为何不死，我应当在大家前面。”
将要出发的时候，杨业哭着对潘美说：“这次行动一定对我们不利。我，是太原的降将，按理应当处死。皇上没有杀我，恩宠我让我做了将帅，交给我兵权。不是我放过敌人不去攻击，只是想等时机，准备立点军功来报效国家。大家责怪我躲避敌人，我应当率先死命杀敌。”并指着陈家谷口说：“各路军马在这里摆开步兵、弓箭，支援左右翼的兵力，等我转战到这里，就用步兵夹击敌人救援你们，否则，都会被敌人所杀。”
潘美于是和王侁率领部下的兵马在谷口布阵。
辽朝视杨业为大患，要求务必生擒杨业。辽将耶律斜轸听说杨业出兵后，令萧挞凛设下埋伏。
等杨业领兵到来时，耶律斜轸与之交战，佯装败退，然后伏兵四起，耶律斜轸再次进攻，杨业退至狼牙村。
从寅时到巳时，王侁派人登上托逻台眺望，以为契丹军队被打败撤走，都打算争功，立即率兵离开谷口。潘美不能制止，于是沿着交河向西南行军二十里。不久听说杨业战败，立即带兵后退。
杨业奋力交战，从中午到傍晚，来到陈家谷口。一看没有人，就拍着胸膛非常悲恸，继续率领部下士兵奋力作战，身上受了十多处伤，士兵都快死光了，杨业依然亲手杀了数百名辽军。战马受了重伤不能前进，藏身林中，中辽将耶律奚低之箭，落马被俘。
杨业叹息说：“陛下待我很丰厚，我期望征讨敌人保卫边境来报效他，反而被奸臣所胁迫，导致军队被打败，有什么脸面活着呢！”于是绝食三天而死。时为雍熙三年（986年）七月十二日。耶律斜轸割下杨业的脑袋，献给辽廷。
杨业的英勇事迹被传为佳话，辽朝也在密云古北口修建杨无敌庙，以祀奠杨业。
