段文振畢竟是老將，一看對面出現近萬騎兵，就知有警。這時又聽斥候報后方突厥軍隊追來。
為了不被突厥軍合圍，段文振當機立斷，即令其弟段文操率敢死隊，挺矛策馬，沖入阿里扎軍陣中。自己則揮中軍繼進，往來沖殺，企圖快速擊破阿里扎軍。
阿里扎也是突厥名將，雖然兵少，但知道阿史那里都正在趕來，便不與隋軍浪戰。只是緊守軍陣，隋軍但有轉移，便咬住不放。隋軍回身攻擊，阿里扎又不與其決戰。
雙方相持大半夜，段文振始終沒能甩開阿里扎。這時阿史那里都的大軍也已經趕到，和阿里扎一起從后方兩側對段文振的大軍發起猛烈攻擊。
段文振所部大戰了一天一夜，筋疲力竭，早就饑渴難耐，失了銳氣。這時又遭打擊，見突圍無望，軍心渙散，陷入崩潰。段文振這時候勉強維持大軍編制，也不敢再妄想安然撤退。只能率領能戰的騎兵加快速度，而落在后面的步兵則完全無能為力了。
碩大的殘兵陣勢阻擋了突厥軍的追擊，段文振也趁機率領著剩余的殘兵慌不擇路的狂奔。
阿里扎追擊了隋軍近一日，沿途斬殺隋軍不計其數。眼看離溫池已經不遠，又收到從步迦可汗處退兵的消息。阿里扎知道主力在溫池慘敗，對面隋軍的大部正等著自己，不敢再追，只得返回。
阿里扎的返回讓他躲過了一劫，因為這個時候黃明遠的搜尋隊伍離段文振所部只有一二十里路了。
僥幸逃得性命的段文振遇到黃明遠，這才算是平安。黃明遠率部在沿途收攏隋軍潰軍，總共也只得三四千人。
段文振的大敗令整個隋軍大吃一驚，猶如一盆涼水一樣潑到了眾人火熱的心頭。全軍三停折了兩停，回到溫池大營的段文振軍不到一萬三千人，還個個帶傷，軍械、物資幾乎全部丟失，靈州軍幾乎被打殘了，要想重建需要很長的時間。
對于整個戰況，段文振倒也沒有夸大其詞。然而這種結果更令眾人難以置信，沒人會想到隋軍與突厥人在兵力相差無幾的情況下，還慘敗至斯。
第一次有事情為這次大戰蒙上了陰影，終于有人開始考慮突厥人的戰力到底如何。
因為段文振是楊堅的愛將，更是楊堅重用之人。楊廣沒有直接將其問罪，而是將段文振撤職，然后令其在軍中戴罪立功，算是給了段文振一個東山再起的機會。
這時候，因為突厥人的情況又出現了反復，元壽等人又勸楊廣率軍撤回靈州，等待突厥人消息，再做打算。
但隋軍一勝一敗，雖然打得步迦可汗很狼狽，但其實隋軍也沒占到便宜。楊廣自問這樣的結果是沒辦法回去和楊堅交代的。所以他堅持不撤軍，決定要繼續向前，搜尋突厥人的主力，一舉擊破對方。
楊廣認為段文振的失敗主要是在戰斗中，隋軍沒有展開陣型，龐大的步軍反而成了累贅。而自己軍中騎兵充足，向北穩穩前進，根本不懼突厥人的突襲，也不會無法發揮步軍的優勢，因此楊廣仍然對自己是信心十足。
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