經過三天的行軍，趙昺隨軍行至渤海城，這時圍殲高滅里和闊闊出部的戰斗已經結束。倉促回撤的敵軍在遭到伏擊后，在山谷中被截成數段，又遭受宋軍居高臨下的打擊,已然前后不得呼應，陷入各自為戰的狀態中。
雖有元軍組織起來進行反擊，試圖突圍，但受地形限制難以展開，反遭宋軍炮火打擊損失慘重，在主官傷亡后便紛紛潰散。而更多的元軍受到打擊后,就已經潰不成軍，四散奔逃之中，有的人被人馬踩踏而死,有的跌入山谷中摔死，墜入溪流中淹死。
在宋軍展開進攻的時候，被困在山谷中的元軍見突圍無望，紛紛請降。除有極少部分敵軍趁黑逃入山中外，敵五萬大軍盡被殲滅，其中被俘和投降者近三萬人；敵主帥高滅里率殘部負隅頑抗，死于猛烈的炮火中；寧遠王闊闊出突圍中中槍落馬被俘，但因傷勢過重，次日便一命嗚呼。
在這場蒙元方面發起的打通塞外交通線的戰役，前后持續二十日，其前后共動員兵力達八萬人，最終以失敗告終。宋軍雖取得全勝，但同樣付出了極大的代價，僅遠征軍就有六千余的傷亡，這在以火器對冷兵器的戰爭中也是不多見的，更是此次北伐中宋軍遭受的最大一次挫折和損失。
不過對于宋軍來說此戰也具有重大意義,不僅皆滅了蒙元數萬有生力量，削弱了其防守大都城的實力，也間接導致了居庸關的失守，讓宋軍掃清了大都城外圍所有據點，兵至大都城下。并收復了除幽州城外山前、山后幽云十六州，可以說這是入宋以來對北方游牧民族戰爭最大的勝利。
可對于蒙元方面卻是一場災難，其突圍的最后一絲希望隨著失敗而喪失，居庸關的失守更是讓他們失去了外圍最為重要的支撐點，沒有了防御縱深，迫使其不得將剩余兵力撤回大都城，做最后的頑抗。
在渤海城休整了一日后，趙昺下令分兵，來援的騎二師仍沿來時的道路經順州回通州規建。考慮到居庸關一戰也抓獲大量俘虜，若是將數萬未經整訓的俘虜歸于一處，發生營變將難以處置，同時也會給后勤造成較大的壓力，于是讓他們將俘虜順路押送會后方大營。
遠征軍留守檀州和永平府，防備遼西方向來敵。趙昺則隨十二軍走昌平，過榆河關到大都城。在兩日后，倪亮率御前護軍在昌平接駕,第十二軍則轉向居庸關接替御前護軍鎮守北口，防止塞外的敵軍自此來援大都。
而趙昺與倪亮自在河南分兵后也已經數月未見，說起來也算是兩人自相識以來分別最久的一段時間。其將皇帝迎入帳中，親自侍奉他洗漱，看到皇帝的一頭短發，也只是愣了下，卻也未如他人那么驚詫。
倪亮扭頭問在旁的徐宏，其稱皇帝只說的是為了涼快，而其擔心他會責備自己侍奉不周，想要詳細解釋時就被擺手打斷了，讓他馬上去找個理發給自己也將頭發剪短。本準備承受都統雷霆之怒的徐宏則是如蒙大赦，暗嘆還是其了解皇帝的心思。
雖然皇帝已經獲知攻破居庸關，但倪亮還是詳細向其匯報了整個戰斗經過，此戰以傷亡百人的代價殺敵萬余，俘敵近兩萬，招降小宗王阿木干，可謂全勝。現在御前護軍已經乘勢攻破榆河關，前鋒已抵大都城下，與田忠所領的諸部兵馬會合。