经过三天的行军，赵昺随军行至渤海城，这时围歼高灭里和阔阔出部的战斗已经结束。仓促回撤的敌军在遭到伏击后，在山谷中被截成数段，又遭受宋军居高临下的打击, 已然前后不得呼应，陷入各自为战的状态中。
虽有元军组织起来进行反击，试图突围，但受地形限制难以展开，反遭宋军炮火打击损失惨重，在主官伤亡后便纷纷溃散。而更多的元军受到打击后, 就已经溃不成军，四散奔逃之中，有的人被人马踩踏而死, 有的跌入山谷中摔死，坠入溪流中淹死。
在宋军展开进攻的时候，被困在山谷中的元军见突围无望，纷纷请降。除有极少部分敌军趁黑逃入山中外，敌五万大军尽被歼灭，其中被俘和投降者近三万人；敌主帅高灭里率残部负隅顽抗，死于猛烈的炮火中；宁远王阔阔出突围中中枪落马被俘，但因伤势过重，次日便一命呜呼。
在这场蒙元方面发起的打通塞外交通线的战役，前后持续二十日，其前后共动员兵力达八万人，最终以失败告终。宋军虽取得全胜，但同样付出了极大的代价，仅远征军就有六千余的伤亡，这在以火器对冷兵器的战争中也是不多见的，更是此次北伐中宋军遭受的最大一次挫折和损失。
不过对于宋军来说此战也具有重大意义, 不仅皆灭了蒙元数万有生力量，削弱了其防守大都城的实力，也间接导致了居庸关的失守，让宋军扫清了大都城外围所有据点，兵至大都城下。并收复了除幽州城外山前、山后幽云十六州，可以说这是入宋以来对北方游牧民族战争最大的胜利。
可对于蒙元方面却是一场灾难，其突围的最后一丝希望随着失败而丧失，居庸关的失守更是让他们失去了外围最为重要的支撑点，没有了防御纵深，迫使其不得将剩余兵力撤回大都城，做最后的顽抗。
在渤海城休整了一日后，赵昺下令分兵，来援的骑二师仍沿来时的道路经顺州回通州规建。考虑到居庸关一战也抓获大量俘虏，若是将数万未经整训的俘虏归于一处，