Cuộc thân chinh của vua Lý Thái Tổ năm 1013 dù dễ dàng chiến thắng nhưng không đạt được mục tiêu triệt để. Tù trưởng Hà Trắc Tuấn tuy trốn tránh nhưng vẫn bảo toàn được lực lượng. Quân Đại Cồ Việt đứng trước nguy cơ vướng vào một cuộc chiến tiêu hao lâu dài với các sắc dân thiểu số.
Không thể đóng quân lâu dài nơi rừng núi, Lý Thái Tổ quyết định rút quân về đồng bằng dưỡng sức, chuẩn bị cho những biến cố về sau. Quả nhiên sau đó không lâu, quân giặc mạnh đã đến. Tháng giêng năm 1014, quân Đại Lý dưới do các tướng Dương Trường Huệ, Đoàn Kính Chí rầm rộ tiến sang, chính thức mở màn cuộc xâm lược nước Đại Cồ Việt. Theo sử cũ là Đại Việt Sử Ký Toàn Thư, đoàn quân này đông đến 20 vạn người. Nhưng theo sách An Nam Chí Lược dẫn lời thư của vua Lý Thái Tổ gửi cho nước Tống thì quân Đại Lý chỉ có 3 vạn người. Vậy đâu là con số đáng tin?
Nếu tính theo tỷ lệ thông thường thời kỳ này là khoảng 3-4 dân phu cho một người lính viễn chinh, có thể suy ra quân số thực của Đại Lý là khoảng 4-5 vạn quân chiến đấu, 15-16 vạn dân phu. Trong thành phần đội quân Đại Lý, ngoài người Hạc Thác có 3 vạn, còn có số quân liên minh người Tày, Nùng, Thái… chiếm khoảng 1-2 vạn quân. Con số này phù hợp với tính chất của cuộc chiến là đánh lấn đất ngoài biên giới, mở rộng vùng ảnh hưởng và cướp bóc chứ không phải một cuộc chiến tổng lực nhằm thôn tính toàn bộ nước Đại Cồ Việt.
Thế mạnh của quân Đại Lý nằm ở chỗ họ có rất nhiều ngựa chiến, tức là có nhiều kỵ binh, cùng với nguồn hậu cần dồi dào. Nguyên nước Đại Lý thời kỳ là vương quốc buôn bán ngựa nổi danh trong khu vực. Ngựa Đại Lý được cho là tốt nhất trong các nước phương nam. Ngoài các lợi thế trên, quân Đại Lý còn có được sự ủng hộ của không ít dân Tày, Nùng, Thái trong vùng nhờ vào các mối quan hệ buôn bán trước đó và sự gần gũi về phong tục, ngôn ngữ.
Khi thấy giặc tiến sang, châu mục Bình Nguyên (thuộc Hà Giang ngày nay) là Hoàng Ân Vinh cho người chạy trạm cấp báo về thành Thăng Long. Lý Thái Tổ, tức vua Lý Công Uẩn được tin, bèn phái Dực Thánh Vương (không rõ tên thật) – vị hoàng tử thứ năm của nhà vua cầm hàng vạn quân đi đánh giặc. Quân Đại Cồ Việt có lợi thế lớn ở tượng binh, bộ binh thì dũng cảm và có nhiều kinh nghiệm trận mạc. Kỵ binh nước ta trước đó ít và yếu hớn nước Đại Lý, nhưng đã được tăng cường đáng kể nhờ vào nguồn ngựa bắt được từ chính những thương nhân Đại Lý vào năm 1012.
Quân Đại Lý tiến quân đóng ở bến Kim Hoa, châu Vị Long, lập doanh trại gọi là trại Ngũ Hoa để chờ quân Đại Cồ Việt đến. Quân Đại Lý không cần tiến nhanh như gió bão, mà chỉ mong chiếm cứ lấy phần đất biên giới. Việc quân Đại Lý đóng trại không tiến cùng với sự đồng tình của một bộ phận không nhỏ dân cư vùng biên viễn đã phần nào tăng thêm phần khó khăn cho quân Đại Cồ Việt. Giặc tuy là quân đi xâm lấn, nhưng lại giữ được thế nhàn. Quân ta là bên giữ đất nhưng trở thành kẻ phải chịu nhọc. Điều này đặt ra cho quân Đại Cồ Việt hai lựa chọn: một là phải chủ động tiến đánh quân Đại Lý lúc này đang ở thế thủ chờ sẵn, hai là chấp nhận mất đất vào tay Đại Lý.
Dực Thánh Vương kéo quân đến Vị Long, không ngần ngại cho quân tấn công vào trại quân Đại Lý. Đoàn Chí Kính, Dương Trường Huệ cũng dàn quân ra ứng chiến. Hai bên đánh nhau một trận lớn Mao Lâm. Quân Đại Lý dù có kỵ binh mạnh nhưng không chống nổi voi ngựa, cung nỏ của quân Đại Cồ Việt, phải tan chạy. Dực Thánh Vương thúc quân truy kích, bắt sống được tướng Dương Trường Huệ, chém hàng vạn quân Đại Lý. Đoàn Kính Chí cùng đám tàn quân và dân phu bỏ chạy thục mạng về nước, để lại hàng vạn ngựa chiến, vô số khí giới, lương thực… Tất cả đều trở thành chiến lợi phẩm cho nước Đại Cồ Việt.
Sau trận đại thắng, vua Lý Thái Tổ liền sai viên ngoại lang Phùng Chân cùng Lý Thạc đi sứ sang Tống, tặng 100 con ngựa chiến và báo tin thắng trận cho nước Tống biết. Việc ngoại giao này vừa để thể hiện thiện chí, vừa tỏ rõ cho người Tống thấy sự hùng cường của nước Đại Cồ Việt mà thôi không nhòm ngó. Ngoài ra, cũng là để gián tiếp kìm chế nước Đại Lý bởi vì ngoài Đại Cồ Việt thì nước Tống cũng là thế lực mà Đại Lý phải đề phòng. Nước Đại Lý vừa hao binh tổn tướng và nước Tống đã biết điều đó, buộc Đại Lý phải sắp đặt quân đội chuyển sang thế thủ chứ không thể nghĩ đến việc trả đũa.
Tống Chân Tông biết tin Đại Cồ Việt đánh thắng Đại Lý, lòng vừa phục vừa ái ngại. Để đáp lễ, vua Tống hết mực khoản đãi sứ giả. Từ lúc vào địa giới Tống cho đến kinh thành Khai Phong, phía Tống đài thọ tất cả chi phí. Khi sứ bộ Phùng Chân vào chầu, vua Tống ban nhiều mũ, đai, đồ dùng, lụa là tùy theo thứ bậc từng người. Sau việc đi sứ này, quan hệ Đại Cồ Việt và Tống trở nên êm thắm một thời gian, phần vì thiện chí của vua ta, phần vì nước Tống đã biết binh uy nước Đại Cồ Việt vẫn hùng mạnh sau cuộc đổi ngôi. Không như trước đó, Tống Chân Tông vẫn hục hặc với nhà Lý vì cho rằng Lý Thái Tổ là kẻ cướp ngôi.
Sau trận chiến này, người Đại Lý không còn dám bén mảng đến vùng biên thùy nước Đại Cồ Việt nữa. Thừa thế thắng, vương triều Lý cố gắng thiết lập lại nền cai trị chặt chẽ hơn đối với vùng tây bắc. Những tù trưởng người Di Lão muốn ly khai khỏi Đại Cồ Việt mất đi thế lực chống lưng trở nên yếu ớt, một số đành chấp nhận quy phục, một số khác cố gắng liên kết lại để phản kháng đều bị triều đình nhà Lý đều quân mạnh đi đánh dẹp. Năm 1015, liên minh các bộ lạc do tù trưởng Hà Trắc Tuấn nổi lên ở các châu Đô Kim, Vị Long, Thường Tân, Bình Nguyên, quyết trận sống mái với triều Lý hòng lập nên một cõi giang sơn riêng. Vua Lý Thái Tổ sai hai hoàng tử là Dực Thánh Vương, Vũ Đức Vương dẫn quân đi đánh. Hà Trắc Tuấn binh ít thế cô không thể địch nổi. Quân đội nhà Lý đánh tan tác đạo quân người dân tộc thiểu số, bắt sống Hà Trắc Tuấn giải về kinh đô Thăng Long, chém đầu bêu ở cửa đông thành.
Cuộc chiến với nước Đại Lý tuy sử liệu còn ít ỏi và ít được nhắc đến trong sử sách hiện đại, nhưng cùng đóng vai trò quan trọng trong việc định hình nên lãnh thổ nước Việt Nam. Nhờ vào chiến thắng trước quân Đại Lý, nhà nước quân chủ của người Việt đã tiến thêm một bước trong việc kiểm soát lãnh thổ vùng tây bắc, góp phần đưa các sắc dân nơi đây vào một quỹ đạo chung của triều đình Thăng Long. Chiến công này là một trong những nền tảng đầu tiên, cùng với những biện pháp hôn nhân, phủ dụ của các đời vua Lý về sau nữa, nước Đại Cồ Việt – Đại Việt dần có được một vùng biên giới tây bắc yên ổn để từ đó huy động sức người sức của vào các cuộc chiến chống ngoại xâm. Khi quân giặc từ phương bắc tiến sang, vùng tây bắc trở thành một vùng đệm che chở cho trung châu nước Việt.
Quốc Huy/Một Thế Giới