虽然宋神宗积极部署统一交趾，但是实际上的战事却由交趾挑起。熙宁战争主要分为交趾内侵和宋朝反攻两个阶段。
交趾攻宋阶段。被宋神宗提拔的萧注，已经从最初的主战转为主和，而沈起坚持交趾小丑没有不取的道理，于是王安石罢免了萧注，启用了沈起知广西桂州。沈起上任后面对交趾的挑衅非常强硬，也积极筹备边境武备，后来接替沈起出任知桂州的刘彝也是强硬派，对武力犯边的交趾，刘彝干脆宣布绝交。
熙宁八年（1075），交趾的李常杰和宗亶分兵两路，水陆并进进攻宋朝。为师出有名，李军四处张榜称中国做青苗、助役之法，穷困生民，今出兵欲相拯救。李常杰一路连破钦、廉二州，杀8000余人。最后李、宗二人合围邕州。邕州在坚守42日后被攻陷。“是役也，所杀获邕、钦、廉三州人无虑十万。”
这种暴行震惊了整个宋朝朝野。《太平治迹统类》描述道：邕州城破，“安石忧阻形于言色”。被动的宋朝仓促应对，交趾入侵当月，成立了安南道行营马步军都总管本经略招讨司，赵、李宪充正、副使，燕达充副都总管。赵卨和宦官李宪充正、副使，燕达充副都总管。同时刘彝和沈起被罢免，原因很简单，他们必须为数州横遭屠害一事负责，朝廷更要在十万大军出征之际，立威警众。
宋朝一面调发北方禁军，一面就地招募。调动秦晋精锐力量十万人，调用广西、荆湖、广东、河北等路兵员和物资。广西招募壮丁两三千人守卫邕、宾等州城，又从诸州军队中选配年轻不怕死的勇士赶赴桂州。到熙宁九年(1076)，从全国征集而来的宋朝首批援军进入广西。交趾破邕州后正打算继续攻取桂州，见到浩浩荡荡的宋朝大军过来了，只好撤退。
接下来就是宋朝的反击了。赵卨和李宪还未到广西上任，宋军就换了主帅，由郭逵出任正使，赵为副。宋朝确定的作战计划是海陆并进，与占城（位于中南半岛东南部，北起今越南河静省的横山关，南至平顺省潘郎、潘里地区。中国古籍称其为象林邑，简称林邑）和真腊（又名占腊，为中南半岛古国，其境在今柬埔寨境内）三路合击。走海路的目的是配合策应陆路主力。
同时，宋朝意识到单独作战是艰难的。宋朝官员张方平猜测，“能害交趾者惟林邑”，于是建议招募具备外交能力的人才，在国际上寻求支持，共同讨伐交趾。熙宁九年，宋朝派李教和罗昌皓出使占城和真腊，说服他们共同出兵交趾。占城表示愿意，于是宋朝进攻交趾时占城曾派遣蕃兵七千扼制住交趾要路。但占城和真腊的牵制并未对战局产生明显影响。
郭逵二月任命、三月到广西，至十月宋军才大规模进攻交趾境内。熙宁九年十月燕达攻取广源州，十二月到达富良江，两军决战。
越南方面制定的抗宋战争图
法国人乔治·马司培罗（Georges Maspero）曾称，这场战争究竟是谁赢了到现在还很难说。中国史书和《钦定越史通鉴纲目》的描述是：两军在富良江（今红河）决战。李军战船四百余艘在江南阻住水路，宋军没法过河，于是郭逵和赵卨便命令兵将们伐木制造发石机攻打。后来又依照燕达建议，暗中派遣军队在山间设置埋伏，逐步减兵，诱敌深入。李常杰果然中计，倾数万众渡江出击，宋军伏兵尽发，步骑合击，趁其帆折樯摧之际，选精兵乘大筏猛攻，大败交趾军，击杀数千。李朝洪真太子和昭文王子战死，左郎将阮根被俘。但是《越史略》等越南史书的记载是这样的：李常杰知道宋军力困，于是连夜渡江袭击，大破宋军。宋兵死者十五六，只能退取广源州。也就是鼓吹李朝取得了最后的胜利。
富良江之战后不久越南皇帝李仁宗便申请求和。恰好此时宋军在南方水土不服，疫病流行，死者大半。郭逵表示“愿以一身活十余万人命”，同意撤兵。宋李两朝讲和。
单从这次战争来看，主帅频繁调换、战术频频失误都暴露了宋朝军事制度所存在的问题。宋朝出于军事集权和北方军事大国的需要，主力全在北方，强干弱枝的军事布局，使主力全在禁军，集中在京师和北方沿边，广西驻军很少。战事一起，宋军主要依靠从北方大量调兵，北方将士在南方水土不服不说，辽和西夏还适时的牵制宋军主力南调，就在熙宁战役进行的同时，境外大国势力辽与北宋在山西边境也及时地出现了军事纠纷。
