事實上，大宋北方兩大軍團知道蒙軍直逼中樞以後確實迅派出了援軍，不過他們並不怎麼焦急，因為與當年無險可守的汴梁不同，洛陽的易守難攻可是天下少有的
蒙古軍隊進逼洛陽之後雖然一時氣勢逼人，但兩方的聰明人都知道蒙古人已經是強弩之末了，由於下層民眾被趙恢動組織了起來，堅壁清野的策略得到了很好的貫徹，本來指望著「以戰養戰」的蒙軍開始面臨糧草不足的窘境。因為大部分地方的民眾即使是將糧草物資都燒掉也不會留給蒙古人，反正戰後朝廷會給予相應的補償，而蒙古人即使想要屠城立威，也不是那樣容易的，因為老百姓都齊刷刷地躲進了防禦良好的城池或者堡壘，靠近山區的百姓更是直接躲進了山裡。蒙古人雖然不擅攻城，但戰鬥力畢竟比這些老百姓強得多，起狠來也不是攻不下來的，但成吉思汗卻很清楚，他如果真的下達這樣的命令，會付出不小的傷亡自不必說，士氣也將會受到打擊，更麻煩的是他們行軍的度將會大受影響。那樣的話，他這次選用純騎兵隊伍的意圖就無法實現了，在深入大宋腹地的情況下，如果失去戰爭的主動權，那他們這十萬人無疑將面臨全軍覆沒的結局，縱然是成吉思汗這樣的軍事天才，在這樣的危局面前也不由皺起了眉頭
雖然各地來援的宋軍越聚越多，逐漸對蒙軍形成了反包圍，但是成吉思汗卻顯得不緊不慢，他傳下命令，讓三軍開始準備攻城器械，說是要一舉突破洛陽外圍的防線。在準備期間，蒙軍還與包圍他們的宋軍之間生了幾次規模不打的交戰，他們驚人的學習能力再次得到了體現。本來宋軍車步混合陣型面對純騎兵隊伍時能夠以一敵十，但蒙軍卻向漢人學到了挖坑戰術，還開始使用繳獲的戰爭機械，對付宋軍堅固的戰車，取得了不錯的效果，而其間套索等特殊兵器的廣泛運用，就更是令靈活性不足的宋軍戰車碰了一鼻子灰。
但是，正所謂「螳螂捕蟬，黃雀在後」，蒙軍這樣做了幾天，觀察多日而強壓戰意的辛棄疾終於現了可乘之機。次日，辛棄疾率三千精騎利用蒙古人不擅佈陣的缺陷，從縫隙間高插入蒙軍之中，大肆掩殺機動力嚴重不足的蒙軍攻城部隊，而接近二十萬人的宋軍主力則做出大舉壓上之勢，喝阻蒙軍使其不敢集中兵力圍殲辛棄疾所部騎兵。辛棄疾雖然只帶了三千人，卻無一不是身經百戰的虎賁之士，蒙軍縱然善戰，一時之間也難以抵擋。再加上這支宋軍在裝備上也有明顯的優勢，兵器全部都採用了鍛打花紋鋼技術，蒙軍的鐵製兵器也常常被宋兵一劈兩斷，而他們與戰馬身上穿的雖然都是皮甲，但卻是大象與犀牛的皮革製成，堅韌無比，蒙古人的弓箭再怎麼厲害，也很難傷得了他們分毫。而更難得的是他們的戰馬，這三千人胯下的戰馬全都是這些年精心培育出來的大食駿馬，各方面都遠勝過蒙古矮種馬。再加上辛棄疾的勇猛本就天下少有，這三千人在蒙軍陣中左衝右突，勢不可當，當他們力盡而退的時候，蒙軍已經付出了過萬的傷亡，而攻城部隊更是死傷殆盡。這場戰鬥之後，普遍認為現在有了優質裝備，因此拿下中原易如反掌的蒙古將領們開始心生退意，但現在退兵無異於找死，成吉思汗這下終於陷入了進退兩難之中
隨著時間一天天過去，蒙軍營地周圍的宋軍越來越多，已經過了三十萬人，而且都是各野戰軍團的精兵強將。即使勇猛如木華黎、博爾術之流，也都有些絕望了。但就在這個時候，成吉思汗卻突然召集眾將，宣佈了全力突圍的命令。眾將愕然不解，但成吉思汗卻顯得信心十足，原來在他看來，宋軍來了這麼多，而且來自不同的地方，歸不同的將領統屬，彼此之間想要配合好是很困難的，這便為蒙軍突圍創造了可乘之機。
儘管如此，要想讓宋軍配合出現足以渾水摸魚的混亂，蒙軍必須進行佯動以調動他們，但這支佯動的蒙軍勢必無法全身而退。眾將你看看我、我看看你，誰都不願做這個冤大頭。這時成吉思汗表態了，他會讓他的親軍「怯薛軍」負責這個任務，令大家非常感動，他的威望由此進一步提高。結果，在成吉思汗的籌謀與「怯薛軍」的死戰之下，蒙軍的主力終於突出了重圍，由於燕雲守軍大多趕來洛陽增援，以至於燕雲地區的防禦大大削弱，何況燕雲地區重歸大宋以後南面的防務就一直受到忽視。蒙軍抓住這個機會一鼓作氣衝回了大漠，但這時十萬蒙古騎兵已經只剩不到一半了。而成吉思汗的「怯薛軍」損失最大，只剩下三千多人，但成吉思汗的胸懷征服了幾乎所有的蒙古人，越來越多的勇士主動加入到「怯薛軍」中，這支軍隊的實力反而更強了
而大宋方面，雖然成功地將蒙古人趕了出去，軍民的傷亡也不算大，但是中原幾大行省的經濟卻受到了相當大的影響，再加上朝廷需要向戰區百姓支付的補償金以及調動數十萬軍隊所帶來的驚人耗費，大宋一個季度的歲入就這麼打水漂了。說起來好在現在大宋的貨幣已經改成紙幣為主，要不然會有更大的損失。其實，紙幣的廣泛使用客觀來說也對蒙軍南下搶掠的成果產生了很大影響，因為如果搶到了金銀或者銅錢，到哪兒都能用掉，而且居民撤退時也無法毀掉，最多只能就地掩埋，還是有被蒙軍找到的可能，那樣他們便可以借助戰爭而壯大自己；而現在用的都是紙幣，情況就大大不同了，先，居民很容易將其毀掉，而不致落入敵人手中，就算他們繳獲了一些，紙幣的自然損耗很快，在戰爭期間尤其如此，他們從戰爭中獲得的利益自然大打折扣。當然，糧草等物資還是逃不掉的，可帶上這些累贅，蒙古騎兵的機動性優勢便大打折扣，也不再那麼可怕了。紙幣這一看似平凡的事物，竟然會在大宋對抗蒙古人時揮出如此巨大的作用，在這個時代還沒有一個人能想到，直到一千多年後，才有某位學者現了這個問題，。不過。他的成果公開後自然是一片罵聲，誰願意將祖先的榮耀讓給這些紙片啊？