杨业明知此行凶多吉少，但决心以死明志。临行前，杨业恳求主帅潘美，在陈家谷两边埋伏下弓弩手，一旦大军撤回时，以强弓硬弩打退追兵，尚可以避免全军覆没。那么，潘美是否答应了杨业的请求呢？
杨业出征的时候，拉住主帅潘美说：“此行必不利。业，太原降将，分当死。上不杀，宠以连帅，授之兵柄。非纵敌不击，盖伺其便，将立尺寸功以报国恩。今诸君责业以避敌，业当先死于敌。”（《宋史杨业传》）我是河东降将，国破当死，蒙皇上宠幸，没有杀我，而且授我将帅，给我兵权，因此我要为国家立功。现在，敌兵势大，我不是不敢跟敌人作战，因为作战也没有好下场。但是，既然你们说我避敌，我愿死在军前，希望主帅能代禀天子，让天子明白我一番苦心。而且杨业还跟潘美说，我这一去凶多吉少，我死不足惜，我早做好这个准备了，没打算活着回来。但我手下这些人随我多年，乃国家有用之才，在战场上屡立战功，都有父母妻子，他们的伤亡要尽量减到最小。说着杨业手指陈家谷，请大帅在谷两边埋伏下弓弩手，当他们掩护百姓撤回来时，伏兵以强弓硬弩打退追敌，否则的话，我军“无遗类矣”。如果你不这样做的话，我们就全军覆没了。
潘美也是百战名将，当然明白杨业所说。当时潘美的内心也许是很矛盾的，又想立功，又觉得杨业说得有理。所以当监军王侁犯坏，挑唆杨业的时候，潘美就默而不言。反正你去打，输了是你的，立了功是我这个主帅的。但是他也觉得杨业说得在理，将军放心，你率军去，我埋伏弓弩手，一旦你回来的时候，弓弩手帮你打退敌兵。杨业上马领着自己的儿子和部将，就追到陈家谷跟辽军决战。杨业军刚一动，监军王侁贪功，登到高处一望，不见辽军旗鼓。他下来就跟潘美说，大功告成，没想到杨业这老儿还真行，居然把辽军打退了，我看不到辽军的队伍了，咱们也进军吧，不能功劳都让老儿抢了。
潘美没主意了，就听了监军的话下令进军，宋军全部出动。大军走了不到二十里，前线有百姓和溃兵跑来，说宋军败了。杨业再忠勇异常，毕竟以寡击众，也还是败了。王侁一听宋军败了，马上跟潘美说，咱们撤吧，赶紧跑，杨业这支偏师就几千人，覆没就覆没，咱要把整个西路军这几万人都搁在这儿，回去拿什么跟皇上交差啊？东路军将领回朝之后，全都受到降级处分。本来这是皇上“将从中御”，瞎指挥的结果。但曹彬很会揣摩皇上的心思，主动代皇上揽过，说天子圣明，都是我指挥不利，您随便惩罚我吧。皇上的气才稍微消了点儿，但东路军将士回来还都降三级，咱要全军覆没，得降多少级？前车之辙后车之鉴，咱赶紧跑吧。潘美一听这话，明知道如果大军一撤，杨业必然全军覆没，但当时私心战胜了公义，就跟着王侁带着大军跑了。
等杨业奋战到了陈家谷口，一看援兵早就没影了，一个弓弩手都没有。此时杨业身上七十余处创伤，衣甲战马全部被鲜血染红，部下剩了不足百余人，后边辽国追兵逼近，马上就到。杨业悲愤异常，对自己的部下说：“汝等各有父母妻子，与我俱死无益也，可走还报天子。”（《宋史杨业传》）你们赶紧突围，我一个人挡在这儿，你们突围之后，把战役的经过上报当今天子，为我鸣冤。部下被杨业的伟大人格所感召，“众皆感泣，不肯去”（《宋史杨业传》），没有一个愿意走的，回过身来跟辽军决战，最后全部战死，无一生还。杨业在跟辽军激战的时候，刀锋所及之处，几百具辽军尸体倒在地上，他骁勇异常，有点儿当年赵子龙长坂坡前，七进七出的感觉。但是也有一种说法是辽军统帅耶律斜轸想生擒杨业，下令不得伤害，他砍你就让他砍，看他能砍多少，一会儿他累了没劲儿了，掉下马来，你们再去逮他。杨业杀了很多辽兵，最后辽国大将萧挞凛趁杨业不注意，暗放一箭，射中杨业的战马，杨业掉下马来，被生擒了。被擒之后，辽国统帅耶律斜轸得意扬扬地问杨业说，你与我国角力三十余年（杨业降宋没这么长的年头，从这句话看出来，杨业在北汉的时候，可能就跟辽国打仗了），今有何面目相见耶？你不是无敌吗？这回被我逮着了吧？你有什么面目见我啊？史籍记载，杨业叹息曰：“上遇我厚，期讨贼捍边以报，而反为奸臣所迫，致王师败绩，何面目求活耶！”（《宋史杨业传》）杨业对耶律斜轸说，皇上待我很不错，让我讨贼捍边，我想保卫边疆，报答皇上，现在为奸臣所迫，打了败仗，不是我打不过你，是因为奸臣迫害，致使王师败绩，我确实没有面目存活。《宋史》记载：“乃不食，三日死。”绝食三天，殉国而死。评书演义里说他碰死在李陵碑，实际上是被俘之后绝食三天，不屈殉国而死。
杨业的事迹被朝廷得知，监军王侁革职充军，主帅潘美降三级调用。评书演义里说是潘美迫害杨业，可能是觉得王侁不够迫害杨业的资格，王侁官太小，让这个人迫害杨业，显不出杨家将的伟大，所以找个大官来迫害杨业。潘美确实负有责任，身为主帅，在明知王侁不对的情况下，没有制止，是失职行为。但是真正迫害杨业的，确实是监军王侁，而不是潘美。所以王侁革职充军了，潘美降三级使用。当然，潘美是后来的真宗皇帝的老丈人，跟太宗是儿女亲家，所以又提升上去了，这是后话了。
杨业殉国之后，《宋史》中有这样一段评价：“业不知书，忠烈武勇，有智谋。练习攻战，与士卒同甘苦。”你别看他没怎么念过书，但是忠烈武勇有智谋，练习攻战，与士卒同甘苦，“御下有恩，故士卒乐为之用”。杨业殉国时，几个儿子跟他一起牺牲了，但有一个儿子突围出来了，这就是评书演义里大家耳熟能详的杨家第二代六郎杨延昭。