曹操由此兵分两路，一路由次子曹彰率领，越过吕梁山，进兵西河郡，并从西河郡北上雁门郡，而曹操则率七万主力从太原城向北出兵，收复太原全郡，随即进攻匈奴人盘踞的雁门郡，并在在那里和儿子曹彰的军队汇合。
曹军一路向北行军，接连收复盂县、静乐县和阳曲县，三天后，大军进入雁门郡，直抵楼烦县，楼烦县是刘豹的王帐所在地，实际上就是刘豹的两个老巢之一。
楼烦县地势西高东低，西北面是巍巍群山，东面则是连绵不断的丘陵地带，分布着大片的高山牧场。
由于曹军大举北上，匈奴人也随之向北转移，但由于楼烦县是雁门郡的门户，地理位置极为重要，一旦攻下楼烦县，雁门郡就随之门户，曹军可以长驱直入。
为此，匈奴人在楼烦县留下八千军队驻防，分别驻守楼烦县城和云顶关，据险而守，两座县城相距不到二十里，匈奴军可以互相呼应。
曹操大军在距离县城还有十里处扎下了大营，曹操为收复并州也做了充分的准备，他秘密派斥候绘制并州北部的地形图，并根据地形图制作了一座简易沙盘，虽然并不是非常精准，但八九不离十，也勉强能用。
曹操站在沙盘前和众谋士、大将商议进兵策略，他用木杆指着楼烦城对众人道：“相对于云顶关，楼烦要好攻得多，从沙盘上看得出，楼烦的城墙并不高，最多只有三丈，而且斥候说，城上并没有投石机，约有四千人镇守，我们只要出兵一万便可夺下楼烦县城，关键是怎么夺取云顶关，路险关高，就算夺下它，也会损失惨重。”
这时，军师程昱捋须笑道：“云顶关适合用计取，或许我有一计，云顶关可唾手可得。”
曹操大喜，“仲德计将安出？”
...
奉命夺取楼烦县的大将是徐晃，曹操给了他三万军队，命他在一个时辰内夺取楼烦县城，徐晃毅然立下军令状，若晚一刻钟夺下县城，他就提人头来见。
“咚！咚！咚！”
战鼓声密集敲响，三万大军喊杀声震天，将楼烦县团团包围，二十部重型投石机轰隆隆开到县城两百步外，这是曹军最强大的投石机，高三丈，抛竿长五丈，须百人挽发，可将百斤巨石抛出三百步外。
曹军学到了汉军的先进火油武器，用麻布在火油中浸泡后晒干，制成火布，又将火布团团包裹，造成一只只直径达五尺的大布球，涂满火油后发射。
在徐晃的一声令下，二十部重型投石机同时发射，只见二十个巨大的火球腾空而起，冒着黑烟和火焰，呼啸着砸向城内，很快便引发了城内的大火，城内聚集着数千匈奴牧民，他们都是从各地逃来匈奴平民，来不及北撤，便躲在城内避难，而此时在火球的袭击下，妇孺老人吓得哭喊连天，四散奔逃。
火球主要是用来引火，尤其在对付帐篷密集的营地，火球可以收到奇效，但在攻城战中，它实战效果并不明显，对守军的杀伤力极弱。
曹操之所以决定采用火球，主要是考虑到它对匈奴人的心理威慑极大，想象着一只只巨大的火球从头顶掠过，对于从未见过火油的匈奴人，将产生重大的心理冲击，引发强烈恐惧，从而彻底打垮匈奴士兵的军心士气。
曹军只发射了两轮火球，便引发了匈奴军队的恐慌，开始有士兵丢盔卸甲逃下城去保护家人。
这时，徐晃冷冷下达了攻城的命令：“传令攻城！”
三万曹军呐喊着，从四面八方如潮水般地冲上楼烦县，他们扛着巨大的攻城梯，奔跑时高举盾牌，抵御头上射来的密集箭矢，尽管不断有人被射倒，却无法阻挡曹军的全力进攻。
楼烦县没有护城河，但有一条深沟，沟内插满了锐利的长矛，但曹军用木板架过深沟，数千曹军率先抵达南城，架上数十架攻城梯，一队队曹军士兵冒着头上如冰雹般砸下的滚木礌石，一步步向城头进攻。
不到半个时辰，南面的曹军士兵率先攻上了城头，双方在城头上进行最后的激战，徐晃骑在战马上，远远望着曹军攻城，他微微松了口气，军令状是要求他在一个时辰内攻下城池，现在看来，不用半个时辰便可以夺城了。
这时，一名士兵着城门大喊：“将军，南城门开启了！”
只见南城门开启，吊桥缓缓放下，徐晃喜出望外，回头对五千后备士兵大喊道：“弟兄们，随我攻进城去。”
他挥动大斧，率领五千士兵向大开的城门冲去，在一片呐喊声中，五千曹军攻进了县城。
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