《宋史·任福传》说“刍饷不继，士马乏食已三日”，这是不是宋军战败的原因呢？需要注意到这里写的是“乏食”而不是“绝食”。由于关陇地区复杂的地形以及宋朝薄弱的后勤补给系统，行军期间士兵口粮达不到规定的标准很正常，但如果只是短期的话对士兵的战斗力影响有限。
在距离羊牧隆城只有五里的地方，任福部遭到了李元昊主力的伏击。
《宋史·夏国传》记载“怿为先锋，见道傍置数银泥合，封袭谨密，中有动跃声，疑莫敢发，福至发之，乃悬哨家鸽百余，自合中起，盘飞军上。于是夏兵四合”。
李元昊的主力应该隐藏在瓦亭川以西宋军的侦察死角当中，看到鸽子飞起之后立刻绕过沿川诸城寨，渗透过瓦亭川，在宋军前路作好埋伏。能进行如此精密的行军，李元昊的军事才能确实令人称赞，运用鸽子来判断战机的谋略也十分高明。
先锋桑怿率领精骑冲向夏军，试图为本部换取列阵时间。但夏军骑兵数量有优势，纷纷冲击而至，使得任福部始终未能形成完美的反骑兵方阵。“贼纵铁骑突之，自辰至午，阵动”，在西夏具装铁骑的冲击下，宋军阵势摇摇欲坠。
于是任福等人率军向周边的丘陵后撤，然而埋伏的夏军立刻从山后杀出。“阵中忽树鲍老旗，长二丈余，鲍老挥右则右伏出，挥左则左伏出，翼而袭之”，凭借骑兵优势，夏军从各个方向冲杀宋军。借助山势冲击的西夏具装铁骑，威力惊人。
与此同时，朱观、武英的北路军也遭到了夏军的攻击，无法援助，可见夏军也兵分两路，每一路都对宋军形成兵力优势。
距离羊牧隆城较近的北路军得到了羊牧隆城王珪部4500人及东面瓦亭寨赵津部3000名骑兵的援军，所以李元昊对北路的处理是先予以压制，优先歼灭南路的任福部。由于北路夏军可能遭到王珪部和朱观部夹击，李元昊布置了精锐步兵方阵阻击王珪部，“阵坚不可破”。
作战过程中，越来越多支小队夏军从隐蔽位置纵出，进入战场，这种添油战术让宋军的压力越来越大。在李元昊主力的打击下，任福部几乎被全歼，任福、桑怿、刘肃、任怀亮都战死沙场，按《宋史·任福传》——“士死者六千余人”。
随后夏军主力马上北上，打击朱观所部。
羊牧隆城的王珪试图杀入重围救援，未果，反而身负重伤，回到城中后不久去世。这时朱观、武英部士卒已经得知主帅任福阵亡消息，失去斗志，纷纷溃散。
但夏军也久战疲惫，无力广泛追杀，只能集中打击宋军军官团，武英、耿傅、赵津及内殿崇班訾赟、西头供奉官王庆、侍禁李简、李禹亨、刘钧都战死。
只有朱观率千余人依靠大族姚氏的堡寨姚家堡之院墙据守，用弓弩射击夏军，后得到泾原路总管王仲宝支援，得以生还。
按《宋史·夏国传》，“将校士卒死者万三百人”，则朱观、武英部战败的损失是4000余人。西夏军损失不详，但必然远少于宋军。
好水川之役夏军获胜后，西夏谋臣，曾经的北宋落第举子张元在界上寺墙壁上题诗一首：“夏竦何曾耸，韩琦未足奇。满川龙虎辇，犹自说兵机。”以此讽刺韩琦等人的无能。
战后李元昊担心秦凤、环庆等路前来支援，并不趁胜攻取宋军城寨，而是马上撤回天都山。仔细分析，我们会发现宋军在指挥部署上并没有太大的失误，却在自己家门口遭受如此惨败。这是由于李元昊的战略战术能力远胜于韩琦、任福等人的缘故。
当然如果任福没有中计放出银盒中的信鸽，李元昊可能赢得不会那么轻松。但是，技不如人在军事领域本身就是极大的过失。韩琦对于李元昊动向的分析模糊不堪，显示出其才具不足，而任福作为前敌将领也并不是什么大将之才，最终丧师亡身。
不过，这一战未能打成彻底的歼灭战，则是由于西夏本身国力有限，土地又贫瘠，无论是兵力还是军队素质装备都有欠缺的缘故。在宋夏开战之前，李元昊就已经数次被青唐吐蕃领袖唃厮啰击败。
此战之后，韩琦、范仲淹都遭到贬职，但毕竟是用人之际，依然留在陕西对抗夏军。
泾原路的宋军多是精锐，却阵亡万余人，引起宋仁宗震恐，采纳参知政事宋庠的建议命人整修潼关，结果关陇百姓认为朝廷要抛弃他们放弃关陇，民怨滔天。宋仁宗这时也意识到西夏并没有这么大的实力，停止了工程。
而宋朝对西夏继续失败，庆历元年在麟府丰之战被夺走了丰州，庆历二年又有定川寨之败。
