然而孙佺毫无塞外作战经验，既未打探敌情、侦查地形，又未设下伏兵、预留退路，大军贸然深入漠南腹地，阵型臃肿、行军迟缓、调度混乱。唐军行至冷陉一带（今内蒙古巴林右旗境内），猝然遭遇奚族主力大军。
奚族酋长李大酺骁勇善战、极富谋略，常年与唐军周旋，深谙中原军队的作战短板。他麾下仅有八千精锐骑兵，人数远少于唐军，但皆是常年驰骋草原、战力彪悍、机动性极强的百战精锐。
李大酺见唐军劳师远征、孤军深入、将帅无能、军心浮躁，当即抓住战机，指挥奚族铁骑迅猛突击。游牧骑兵往来冲杀、灵活穿插，瞬间冲乱唐军三路阵型。唐军步兵居多、行动迟缓、水土不服、疲于奔命，面对骑兵突袭无力抗衡，顷刻间全线溃败、阵脚大乱。
战局彻底崩盘、败局已定之际，贪生怕死、怯懦无能的孙佺全然丢失将帅气节，不敢督军死战、收拢残兵，反而心生畏缩、妄图苟全性命。他为脱罪保命，刻意编造说辞，派人向李大酺传话，谎称此次大军出塞并非征讨，乃是奉旨前来招抚奚族、安抚边民。
为推卸战败罪责、保全自身，孙佺肆意构陷副将，将擅自开战、引发战祸的罪名尽数推给前锋将领李楷洛，谎称是李楷洛违抗主帅节度、擅自主动出战，才导致两军交战、引发冲突。
与此同时，孙佺为讨好李大酺、换取生路，不惜倾尽军中重宝，将自己的紫袍、金带、鱼袋等朝廷高阶官制信物，以及军中储备的锦帛万余段尽数赠予李大酺，卑躬屈膝、乞和求饶，恳请对方罢兵放行、允许唐军班师。
李大酺洞悉孙佺怯懦无能、军心溃散，假意应允求和、准许唐军撤退，实则暗中部署骑兵、静待追击时机。
孙佺见对方应允，大喜过望，即刻下令全军仓促撤退。唐军本就溃败慌乱、军心尽失，撤退之时毫无章法、号令紊乱、各部争先奔逃，队伍彻底散乱、不成阵型，完全丧失作战与自保能力。
李大酺见唐军彻底溃散、毫无抵抗之力，当即下令全军追击。奚族铁骑趁势掩杀、纵横驰骋，对溃逃的唐军展开全面围剿。数万唐军孤立无援、身处绝境、惨遭屠戮，全军覆没、血染塞外。
此战之中，主帅孙佺、副将周以悌双双被奚军生擒活捉，无一逃脱。李大酺厌恶孙佺怯懦诡诈、辱没军威、构陷下属，也为震慑大唐、立威北疆，随即将二人押送突厥牙帐，交由突厥处置，最终孙佺、周以悌尽数被突厥斩首示众。
冷陉之战，是景云年间最惨烈的边境惨败。唐军数万精锐折损殆尽、将帅尽亡，东北边防精锐兵力一朝耗尽，大唐北疆防线彻底崩坏，奚、突厥声势大盛，自此数年之间，东北边患愈演愈烈，幽燕之地常年不得安宁，也深刻暴露了睿宗末年朝政混乱、任人不当、边备废弛的严重弊端。