收復三州後，郭逵並未急於冒進。
他深知趾軍擅長在叢林中設伏，且富良江（今越南紅河）是趾的天然屏障，若貿然南下，恐遭不測。
十月，宋軍進至思明（今廣西寧明東），郭逵首先著手鞏固側翼：他派遣副都總管燕達率軍進攻廣源州（今越南廣淵），此地是趾的軍事重鎮，由觀察使劉紀駐守。
燕達採取聲東擊西之計，先派小部隊佯攻北門，吸引敵軍注意力，主力則趁夜從南門襲，一舉攻破城池，劉紀被迫投降，宋軍功清除了側翼的威脅。
十一月，宋軍從思明南下，行至決裡隘時，遭遇趾軍的頑強抵抗。
趾軍深知宋軍騎兵勇猛，竟擺出了罕見的“象陣”——數十頭大象披掛鎧甲，揹負士兵，排一列衝向宋軍，大象腳下計程車兵手持長刀，隨其後。
宋軍士兵從未見過如此陣仗，一時有些慌。
郭逵卻臨危不，他大聲下令：“強弩瞄準象鼻！”宋軍的神臂弩威力驚人，箭矢如雨般向大象的鼻子，大象吃痛，瘋狂回奔，反而將後的趾軍踩得人仰馬翻。
宋軍趁機發起衝鋒，長刀劈砍，短矛刺殺，趾軍潰不軍，宋軍一路追擊，攻克桄榔縣與門州（均在今越南同登西北），兵鋒直指富良江。
富良江江面寬闊，水流湍急，趾軍早已在此佈防：四百餘艘戰船橫列江面，船上士兵手持弓箭，岸邊還設有炮臺，企圖憑藉天險阻擋宋軍。
宋軍多次嘗試強渡，均被趾軍的箭雨與炮石擊退，傷亡不小。
郭逵與趙卨登上高觀察敵，發現趾軍戰船集，但士兵士氣並不高，且岸邊的守軍多集中在正面，側翼防備薄弱。
此時，副都總管燕達獻上一計：“可先伐木造筏，佯裝準備強渡，再逐步減江邊的守軍，示弱敵。”
郭逵採納了這個建議，一面命令士兵在江邊大肆砍伐樹木，打造竹筏與攻城械，營造出即將全力強渡的假象；
一面悄悄將江邊的主力調往兩側山間埋伏，只留下量士兵在岸邊巡邏，故意顯得兵力空虛。
趾軍果然中計。
李常傑見宋軍連日打造械，卻又不斷減江邊守軍，以為宋軍已是強弩之末，兵力不足，遂決定主出擊，一舉殲滅宋軍。
他下令集結數萬大軍，乘坐戰船與木筏，向宋軍岸邊陣地發起猛攻。
當趾軍的船隊行至江心時，郭逵一聲令下：“伏兵盡出！”山間的宋軍士兵如猛虎下山般衝出，強弩齊發，箭鏃穿趾軍的鎧甲，死傷無數。
同時，宋軍的炮臺也開始發力，巨石飛向趾軍的戰船，瞬間擊碎了數十艘船的桅杆與風帆。
趾軍船隊陷混，戰船相互撞，士兵紛紛落水。
郭逵抓住時機，下令：“銳登筏，衝鋒！”早已準備好的宋軍銳士兵，乘坐大筏衝向趾軍船隊，手中長刀揮舞，見人就砍，見船就燒。
趾軍大將太子李洪真親自登船指揮，卻被宋軍一箭中膛，當場陣亡；
左郎將阮試圖組織抵抗，也被宋軍生擒。
失去指揮的趾軍徹底崩潰，士兵紛紛棄船逃生，江水被鮮染紅，江面漂浮著戰船的殘骸與，宋軍大獲全勝，斬殺趾軍數千人。
此戰後，趾王李乾德深知已無力與北宋抗衡，只得派遣使者前往宋軍大營求和，承諾歸還掠奪的土地與人口，永遠不再進犯北宋邊境。
而宋軍此時也面臨困境：幾十萬大軍深南疆，時值酷暑，士兵多染瘴氣，加上糧草補給困難，戰死與疫亡者已過半。
郭逵與趙卨權衡利弊後，上奏朝廷，宋神宗准奏，同意與趾議和，宋軍班師回朝。
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