辽阳之战第四日寅时，汉军吃完早饭开始部署防御，同时加大巡哨范围，以防高句丽军逃跑或者有援军埋伏，骑兵在防守时作用不大，就从后营出发，绕道敌军侧后，准备给与致命一击。高句丽除了留够骑兵的马匹，所有的挽马、力马、备用战马都杀了，三万多人大吃了一顿，然后开出营寨，准备进攻汉军大营。
卯时，高句丽军终于摆好阵势，开始向汉军大营移动，在大营前两百步站定，开始用抛石机射击，发射了5轮后，步卒开始进攻，骑兵护住两翼。虽然抛石机的准确度非常低，但汉军还是死伤了一些人，并砸塌了一座箭塔。
在高句丽开始进攻后，汉军的抛石机也开始发射，虽然准确度和高句丽的一样，高句丽士兵并没有寨墙、寨栅防护，人又密集，还是有一定杀伤的。在高句丽军进入到150步左右，李青命令道：“弓弩兵测距射击。”自有传令兵利用旗语把命令传出去。只见一排弓箭飞射而出，大约在150步左右，已可以射到敌军前排士兵，在敌军进入100步后，弓兵抛射阻断敌军，弩兵平射，杀伤冲锋在前的敌军。在敌军进入50步后，弓弩兵依次后退，并继续射击，刀盾兵、长枪兵等近战兵种上前，准备短兵相接。
高句丽士兵在死伤2000多人后，终于冲到寨前，首先要面对的是拒马，有付出了千人左右，才真正开始进攻营寨，进攻营寨就比城墙简单多了，简单的梯子就可以上寨墙，寨栅用人就可以推倒，但说起来容易，这期间要受到汉军的反击，在加上弓弩兵的阻断射击，死伤甚重。有一部分高句丽士兵害怕了，转头向后逃去，却被督战队砍了头，以示警告。
高句丽的元帅、将军也是发了狠，亲自担任督战队，现在高句丽军只有进攻的步兵、防护两翼的并准备随时冲进汉军大营的骑兵，担任督战队的亲兵，没留预备军。
在午后，高句丽军死伤10000多人后，攻入汉军大营，两翼骑兵也冲入大营，在感觉要守不住时，汉军就开始组织后退，因为后面还有一重防护的寨栅，是在昨日连夜建起来的，防御强度比外圈寨墙、寨栅差远了，还没有箭塔。但是，高句丽军看到又一重寨栅后，打击是巨大的，本来以为攻入营内，就要胜利了。高句丽的元帅、将军知道后，都知道大势已去，这决死一击没有奏效，自己马上就要失败了。
但他们还是命令士兵继续进攻，高句丽军的进攻已经开始疲软，他们是连续作战，没有停歇，没有能量补充。而汉军由于是防守，有寨墙保护，可以轮换防守，有时间休息、吃饭，但汉军还是伤亡了5000余人，好消息是大部分都是伤员。
李青看出敌军的疲软，知道他们已经三而竭了，只要压上最后一根稻草，他们就会崩溃，于是，点起狼烟，让骑兵发起进攻。
乐进见狼烟点起，马上带领骑兵从高句丽后方发起了进攻，因高句丽的骑兵都冲进了营内，无法快速冲出来，阻挡汉军骑兵，汉军骑兵从侧后杀入敌军，并一路凿穿。高句丽一开始凭着一口气发动进攻，如今被前后夹击，这口气已泄，开始溃逃，即使是督战队都阻止不了，只能随溃兵护卫着元帅、将军逃跑。汉军随后追击，并随着溃兵冲进辽阳，占领了这座县城。
一直追杀到傍晚，方才收兵而回。这一战，己方战死五百余，伤残不能再上战场的五百多，轻伤无算。关羽斩杀金世勇，典韦斩杀了高延寿，颜良斩杀朴从志，文丑斩杀车胜元，权相佑被乱刀砍死，高句丽元帅却没找到。同时俘虏敌兵一万五千余，辽阳城的高句丽伤兵也有5000多人，重伤的都已补刀，杀敌一万多人。但却给军队带来了压力，自己所带粮草也不多，又有这么多俘虏，还真是不好办。
张诚只能先在此修整，并传令后军加快前进，把粮草运来。每天俘虏只有一顿米粥，让他们不至于饿死，汉军自己也由三餐主食减为两餐主食一餐米粥。就这样坚持两天后，就要断粮时，后军终于到来。不仅带来五千兵卒，还有五千的辅兵，而且运来了足够的粮草。
这让张诚非常高兴，但看到周仓也跟着来了，张诚非常生气，周仓虽然建功心切，但擅离职守，不听军令，这是非常严重。张诚本欲严惩，重打50军棍，以儆效尤，但众人为他说话，如今又是战时，便让周仓戴罪立功，但由校尉降为屯长，即使立功，这次战役结束也要关五天小黑屋，让其反省。虽然张诚认为打50军棍比关小黑屋惩罚要重的多，但众人显然不这样认为，他们认可打军棍也不想蹲小黑屋。在张诚定关小黑屋为违反军令的一项惩罚时，众人还以为这惩罚很轻，但他们经过亲身试验，一致决定这是除杀头最重的惩罚。
粮草既已到来，军兵们也修整了两日，张诚决定全取玄菟郡。命令由周仓率领两千正兵和五千辅兵留在辽阳看守俘虏，其余人员继续进攻。周仓非常不愿意，他还想立功，恢复原职呢。在张诚说只要看住俘虏，不生事端，便算他立功，官复原职，张诚又狠狠瞪了他一眼，周仓才不情愿的接令。
高句丽士兵只有五千余逃跑，还是四散而逃，已被汉军杀破了胆，不仅不会抵挡汉军，还会把恐慌带给他们经过的地方。如今玄菟郡各县已无兵把守，张诚兵分三路，攻占其余县城，最后在高句丽城汇合。半个月后全取玄菟郡，根本没有大的战事，时间都耽误在了路上。
在张诚把兵屯于高句丽边境时，高句丽传来国王文书，高句丽王重申为大汉番属，攻打辽东、占领玄菟郡只是手下自作主张，并且愿意赔偿大汉损失，并保证有生之年再不会发生类似事件，希望能放回被俘虏的士兵。张诚虽然不信此话，但也无力再进攻，士兵们非常疲惫。张诚一面把文书送至洛阳，一面向洛阳请功，并让洛阳派来太守接掌玄菟郡。
在等待回信的这些日子，张诚通过暗探也了解了高句丽的内情，原来扶余和沃沮被占领区的反抗越发的激烈，退至北部、东北部的残余，经过整合后，又开始进攻高句丽的守兵，在和汉军的作战中又损失了五万士兵，已经伤了元气。镇压反抗就使其疲于奔命，在无法和汉军开战，只能认怂，发文书求和。
