楊業明知此行凶多吉少，但決心以死明志。臨行前，楊業懇求主帥潘美，在陳家谷兩邊埋伏下弓弩手，一旦大軍撤回時，以強弓硬弩打退追兵，尚可以避免全軍覆沒。那麼，潘美是否答應了楊業的請求呢？
楊業出征的時候，拉住主帥潘美說：“此行必不利。業，太原降將，分當死。上不殺，寵以連帥，授之兵柄。非縱敵不擊，蓋伺其便，將立尺寸功以報國恩。今諸君責業以避敵，業當先死於敵。”（《宋史楊業傳》）我是河東降將，國破當死，蒙皇上寵幸，沒有殺我，而且授我將帥，給我兵權，因此我要為國家立功。現在，敵兵勢大，我不是不敢跟敵人作戰，因為作戰也沒有好下場。但是，既然你們說我避敵，我願死在軍前，希望主帥能代禀天子，讓天子明白我一番苦心。而且楊業還跟潘美說，我這一去兇多吉少，我死不足惜，我早做好這個準備了，沒打算活著回來。但我手下這些人隨我多年，乃國家有用之才，在戰場上屢立戰功，都有父母妻子，他們的傷亡要盡量減到最小。說著楊業手指陳家谷，請大帥在谷兩邊埋伏下弓弩手，當他們掩護百姓撤回來時，伏兵以強弓硬弩打退追敵，否則的話，我軍“無遺類矣”。如果你不這樣做的話，我們就全軍覆沒了。
潘美也是百戰名將，當然明白楊業所說。當時潘美的內心也許是很矛盾的，又想立功，又覺得楊業說得有理。所以當監軍王侁犯壞，挑唆楊業的時候，潘美就默而不言。反正你去打，輸了是你的，立了功是我這個主帥的。但是他也覺得楊業說得在理，將軍放心，你率軍去，我埋伏弓弩手，一旦你回來的時候，弓弩手幫你打退敵兵。楊業上馬領著自己的兒子和部將，就追到陳家谷跟遼軍決戰。楊業軍剛一動，監軍王侁貪功，登到高處一望，不見遼軍旗鼓。他下來就跟潘美說，大功告成，沒想到楊業這老兒還真行，居然把遼軍打退了，我看不到遼軍的隊伍了，咱們也進軍吧，不能功勞都讓老兒搶了。
潘美沒主意了，就听了監軍的話下令進軍，宋軍全部出動。大軍走了不到二十里，前線有百姓和潰兵跑來，說宋軍敗了。楊業再忠勇異常，畢竟以寡擊眾，也還是敗了。王侁一聽宋軍敗了，馬上跟潘美說，咱們撤吧，趕緊跑，楊業這支偏師就幾千人，覆沒就覆沒，咱要把整個西路軍這幾萬人都擱在這兒，回去拿什麼跟皇上交差啊？東路軍將領回朝之後，全都受到降級處分。本來這是皇上“將從中禦”，瞎指揮的結果。但曹彬很會揣摩皇上的心思，主動代皇上攬過，說天子聖明，都是我指揮不利，您隨便懲罰我吧。皇上的氣才稍微消了點兒，但東路軍將士回來還都降三級，咱要全軍覆沒，得降多少級？前車之轍後車之鑑，咱趕緊跑吧。潘美一聽這話，明知道如果大軍一撤，楊業必然全軍覆沒，但當時私心戰勝了公義，就跟著王侁帶著大軍跑了。
等楊業奮戰到了陳家谷口，一看援兵早就沒影了，一個弓弩手都沒有。此時楊業身上七十餘處創傷，衣甲戰馬全部被鮮血染紅，部下剩了不足百餘人，後邊遼國追兵逼近，馬上就到。楊業悲憤異常，對自己的部下說：“汝等各有父母妻子，與我俱死無益也，可走還報天子。”（《宋史楊業傳》）你們趕緊突圍，我一個人擋在這兒，你們突圍之後，把戰役的經過上報當今天子，為我鳴冤。部下被楊業的偉大人格所感召，“眾皆感泣，不肯去”（《宋史楊業傳》），沒有一個願意走的，回過身來跟遼軍決戰，最後全部戰死，無一生還。楊業在跟遼軍激戰的時候，刀鋒所及之處，幾百具遼軍屍體倒在地上，他驍勇異常，有點兒當年趙子龍長坂坡前，七進七出的感覺。但是也有一種說法是遼軍統帥耶律斜軫想生擒楊業，下令不得傷害，他砍你就讓他砍，看他能砍多少，一會兒他累了沒勁兒了，掉下馬來，你們再去逮他。楊業殺了很多遼兵，最後遼國大將蕭撻凜趁楊業不注意，暗放一箭，射中楊業的戰馬，楊業掉下馬來，被生擒了。被擒之後，遼國統帥耶律斜軫得意揚揚地問楊業說，你與我國角力三十餘年（楊業降宋沒這麼長的年頭，從這句話看出來，楊業在北漢的時候，可能就跟遼國打仗了），今有何面目相見耶？你不是無敵嗎？這回被我逮著了吧？你有什麼面目見我啊？史籍記載，楊業嘆息曰：“上遇我厚，期討賊捍邊以報，而反為奸臣所迫，致王師敗績，何面目求活耶！”（《宋史楊業傳》）楊業對耶律斜軫說，皇上待我很不錯，讓我討賊捍邊，我想保衛邊疆，報答皇上，現在為奸臣所迫，打了敗仗，不是我打不過你，是因為奸臣迫害，致使王師敗績，我確實沒有面目存活。 《宋史》記載：“乃不食，三日死。”絕食三天，殉國而死。評書演義裡說他碰死在李陵碑，實際上是被俘之後絕食三天，不屈殉國而死。
楊業的事蹟被朝廷得知，監軍王侁革職充軍，主帥潘美降三級調用。評書演義裡說是潘美迫害楊業，可能是覺得王侁不夠迫害楊業的資格，王侁官太小，讓這個人迫害楊業，顯不出楊家將的偉大，所以找個大官來迫害楊業。潘美確實負有責任，身為主帥，在明知王侁不對的情況下，沒有製止，是失職行為。但是真正迫害楊業的，確實是監軍王侁，而不是潘美。所以王侁革職充軍了，潘美降三級使用。當然，潘美是後來的真宗皇帝的老丈人，跟太宗是兒女親家，所以又提升上去了，這是後話了。
楊業殉國之後，《宋史》中有這樣一段評價：“業不知書，忠烈武勇，有智謀。練習攻戰，與士卒同甘苦。”你別看他沒怎麼念過書，但是忠烈武勇有智謀，練習攻戰，與士卒同甘苦，“禦下有恩，故士卒樂為之用”。楊業殉國時，幾個兒子跟他一起犧牲了，但有一個兒子突圍出來了，這就是評書演義里大家耳熟能詳的楊家第二代六郎楊延昭。