段思廉应诺，正要命人去取印信移交，此时一名小校急匆匆地跑进来禀报：“刘茂忠叛军二千余人，透过三关，直寇北门。求大将军速发援兵迎敌！”
段思廉和景廉等人都大惊失色。段思廉道：“此辈方得雁门，又寇太原，着实嚣张。太原兵少，若不予以重创，势将难为！思廉愿率精兵千人，出城杀贼！”
副留守高君雅道：“不可。今城中之兵不过数千，贼寇势大，难以抵敌，只宜坚守，不可犯险出战！”高君雅身为分管军事的副留守，一直被段婉曦的风头盖着，在军中缺乏话语权。现在得到了景廉的授权，当然不会放过任何刷存在感的机会，第一个跳出来反对。
段思廉道：“我军方失雁门，士气低落。今贼不过二千余人，奋力一搏，尚有取胜之望。若畏缩不战，待其大军压境，虽欲自保而不可得也！高将军既不肯出兵，吾自引麾下部曲卫士，背水一战！若胜，使太原百姓知其尚有可倚之屏障；即或败死，以此残生报国雪耻，亦不枉段氏三代忠烈，一世清白！”说罢转向景廉，征询他的同意。
景廉见段思廉目光灼灼，神情坚毅，也不由得被他临难不苟的精神所感动。他虽然对段思廉可能存在的不臣之心十分警惕，却相信他在民族大义上的坚定立场，也希望通过这一仗检验段思廉对朝廷的忠心，便道：“汤公所言甚是。杀敌保国，吾辈义不容辞，岂可惧贼之势大而退缩？高将军速点齐兵马，布阵迎敌！”
高君雅愣住了，他鲜少上阵，军事能力本就有限，景廉又站到了段思廉一边，一时有些不知所措。
“迫在眉睫，何得迟疑？”景廉见他反应迟钝，厉声道，“若敢畏战，先斩汝首！”
高君雅见给自己下了最后通牒，甚至以斩首相逼，怎敢耽误？只得鼓起勇气，命人召集各部将校，根据段思廉的建议，以旅帅长孙顺德、王长谐各率本部骁骑五百，出东门、西门，左右包抄敌军后路；自己和段思廉率统军窦琮、姜宝谊部下骁骑一千，连同城中左骁卫主力二千，出北门正面迎敌。宋老生部则屯兵城内，作为预备队，万一前方作战不利，再出击增援。
刘茂忠部将张德政、黄子英率骑兵两千余人，杀到城北，见太原城郭坚固，己方缺乏攻城器具，便弃城不攻，转而抄略附近村镇，企图引诱邢军出城，然后来个反包抄，迅速歼灭其有生力量。段思廉领兵出城，见敌军分为小队，回头袭扰，心下暗自提防，也命窦琮、姜宝谊分两翼追击。
张德政、黄子英见邢军分散追击，又认出正中的段思廉帅旗，认为正是集中兵力将其聚歼的大好机会，便下令全军掉头，分出约六百骑顶住窦琮、姜宝谊的包抄，张、黄二将亲率其余骑兵猛攻段思廉中军。
段思廉看他们接近了，下令左骁卫步兵列成密集方阵，列盾牌挡住叛军射来的箭雨，弓箭手、长矛、步兵刀由远及近依次招呼。叛军自起兵以来都是乱中取胜，没怎么打过如此严整的军阵，终于为其错误的经验付出了巨大代价。一个冲锋就有三百余骑被射杀刺倒。好不容易楔入了邢军阵中，又遭到左骁卫步兵五人一组的围攻，刺猬般的长矛不住地往马肚子上招呼，战马纷纷倒毙，许多叛军不得不下马同步兵肉搏，骑兵的攻击队形被彻底打乱。段思廉与高君雅率领中军卫队的数十弓弩手排列在后，看见有透过步兵方阵冲来的零散骑兵，立马集中火力射杀。
正在督战的张德政、黄子英欲罢不能，只得亲率精锐二百骑，调整战术，不理会步兵的纠缠，全力撕裂邢军阵型，向外围摆出钳形攻势，聚集其他兵马，合围段思廉。这一手果然击中了邢军要害，被打乱的防线无法阻挡叛军有力的攻势，不得不逐渐退却。
战场上风云突变，形势迫在眉睫，高君雅见势不妙，待要下令退却。段思廉喝道：“全城安危系于我等，岂容畏葸而退？”便拔刀在手，亲率中军卫队和部曲将士五十多人，奋力迎击上去。张德政领兵敌住段思廉，黄子英率部直取高君雅。叛军数百骑兵相继突破官军主阵，重新聚集，在局部上对邢军形成了绝对优势。段思廉、高君雅奋力苦战，身边亲兵越打越少，渐渐不支。
就在局面危殆之际，西北、东北两个方向突然杀声四起，奋力突破了两翼阻击的窦琮、姜宝谊各领百余骑，从叛军后方杀来。已现败象的左骁卫步兵见援军来到，士气复振，趁机配合援军大举反攻，并逐渐向后方的主将靠拢。张德政、黄子英见后路被抄，不敢恋战，只得果断放弃进攻，收拢各部全速北撤，直奔赤塘关。段思廉不顾高君雅劝阻，率领马力尚存的数百骁骑，随后紧追。
张德政、黄子英率五百残卒，还没跑出几里路，前方尘头大起，一支骑兵齐声呐喊，杀奔而来。原来是长孙顺德率左翼骁骑，当先赶到，一阵大杀。张德政、黄子英只得硬着头皮，奋力突围。一场混战，好不容易透围而出，已折去近三百人。黄子英等人不敢投赤塘关，转向东北山僻小路逃窜。此时王长谐的右翼骁骑也包抄到位，又是一顿痛打。张德政、黄子英见势不妙，弃了战马、铠甲，趁着天黑，一头扎进了荒山野岭之中，侥幸逃脱。其余官兵，都被长孙顺德、王长谐率军收拾得干干净净。
在段思廉的有力指挥下，太原官兵众志成城，终于全歼来犯之敌，遏制了刘茂忠叛军疯狂扩张的势头，使太原城转危为安。段思廉于危难之际，力排众议，以五十五岁高龄，身先士卒，痛击叛军，其英勇血性，再次赢得了太原军民的热诚拥戴。兴师问罪而来的景廉在亲眼目睹了他舍生忘死的表现后，也不禁感叹，果然是国之干城，名不虚传。三人私下计议，认为段思廉有无谋反之意暂且不论，但在平叛御胡的大节上是绝不含糊的。为了守住太原这个北方重镇，还需要给他保留部分权力，以有效抵抗北方强敌。
次日一早，景廉、杨师道、黄演代表朝廷作出了对段思廉的处分决定并当堂宣读：查太原留守、左骁卫大将军、汤国公段某，元夜之变，咎由子女，通谋有嫌，查无实据。唯其身为人父，管教不严，本当重惩。念段氏三代仕朝，御敌有功，特代天宣恩，着段某留任太原，戴过效力，缉拿在逃主犯，缚送阙下，听候发落。以副留守高君雅行左骁卫大将军，总督军马；太原民政钱粮事务，悉听郡丞王威处断。即日交割，毋得稍延。
段思廉知道保留原职，剥夺军权政务，对他已是舍死忘生拼杀表现争取来的最轻处分，当即叩首谢恩，向高君雅、王威移交了兵权和政务。景廉见他服从处分，交出权力，也放了心，嘱咐王威、高君雅二人妥善处理太原军政事务，然后率众返回大兴复命。此前为了控制太原而进驻的宋老生部两万大军，也分批撤回，一路护送钦使抵达霍邑。为保险起见，景廉命宋老生选精兵五百，护卫回京，其余大军就地屯驻，以备不测。