宇文泰與高歡的攻守之勢，一時逆轉。西魏大統三年（公元537年）的冬天，宇文泰將各州徵集的兵士與東魏降卒一同編入大軍，分三路向關東發動全面反攻：主力部隊約步騎兵兩萬，由馮翊王元季海與獨孤信率領，開往洛陽；南路由洛州刺史李顯率領，奔赴荊州；北路由賀拔勝、李弼率領，渡過黃河，進圍河東重鎮蒲阪。
東魏遷都，不但全面拆卸了宮城磚木運往鄴城，還強令洛陽百姓四十多萬戶隨行北上，附近各城只剩少量兵士把守。高歡失利的陰影瀰漫著黃河兩岸，西魏一來進攻，東魏軍的心防頓時瓦解。西起新安，東到梁州（今河南開封）、滎陽，南至穎州（今河南長葛）、豫州（今河南汝南），北抵汾州（今山西吉縣）、絳州（今山西新絳），東魏守將非降即敗。在攻克各城的過程中，西魏湧現出宇文貴、韋孝寬等多位名將，包括東魏驍將堯雄在內的援兵都吃了敗仗（堯雄曾在邊境接觸戰上擊退過南梁陳慶之的進攻，是唯一在戰場上打敗「白袍將軍」的大將）。退守洛陽的大將高敖曹也被迫繼續撤出城防不備的城池，北渡黃河，避開西魏鋒芒。獨孤信的軍隊沒有遇到有力的抵抗，長驅直入洛陽金墉城，奪取了這座昔日舊都。
然而，過快的勝利與過順的進展卻給西魏大軍埋下了潛在的危機。此次出關，真正來自關中的兵力不足兩萬，受降的兵力超過了半數，加之軍隊每攻下一城，都得分撥兵將把守，兵力被迫分散，戰鬥力也大打了折扣。所謂「月盈則虧，水滿則溢」，宇文泰的麻煩大了。
更何況，他的對手高歡，絕不是一個會被氣勢嚇倒的人。高歡之所以不立即採取行動，任由西魏軍席捲河南，一來自然是因為兵敗不久，急需幾個月的緩衝時間恢復元氣，二來也未嘗沒有「以退為進，將計就計」的意味。
高歡起兵河北，之後又大量收編了爾朱氏的軍隊，支持他的勢力集中在河北和山西兩處，洛陽周圍的河南地區向來對他不是很服，這本是驅使他遷都的因素之一。既然宇文泰想要攻打洛陽，過一把復舊都的癮，那就不妨遂他的願，順便借他之手剷除異己，該降的降，該死的死。等宇文泰幫完忙，高歡便要亮出最後一劍，將一個「嶄新」的河南，收為己有。
東魏元象元年（西魏大統四年，公元538年）二月，駐守在虎牢的侯景首先發難。西魏守兵不足以抵抗侯景主力，一月之間，將領紛紛棄守，侯景迅速恢復了梁、穎、豫等州，將戰線推到洛陽以東。
七月，在晉陽休整完畢的高歡命侯景與高敖曹合兵一處，進入洛陽，高歡親率大軍為後繼，準備隨時接應。殘忍的侯景放火大肆焚燒洛陽內外的官宅、佛寺、民居（一代北魏都城就此化作殘垣斷瓦。九年後，東魏官員楊衒之受命來到這裡，目睹一番蕭條景象，感歎世事無常，追憶往昔繁華，才寫下了傳世千古的風物筆記——《洛陽伽藍記》），並包圍了獨孤信等人守衛的金墉城（金墉城位於洛陽城西北）。金墉城岌岌可危，獨孤信向關中緊急求救。
長安方面的西魏文帝正打算去洛陽祭奠先帝陵園呢。收到戰報的宇文泰不得不改變計劃，請文帝改謁陵為親征，由尚書左僕射周惠達輔佐太子元欽留守長安，命李弼和達奚武率領一千鐵騎為前驅，火速增援獨孤信。東西魏第三場大規模的接觸戰開始了。
八月，宇文泰主力到達洛陽西面的谷城，離金墉城約五十里。東魏大將莫多婁貸文與可朱渾道元不聽侯景等人的勸阻，率領部眾貿然出擊，黑夜中與李弼、達奚武相遇，措手不及，莫多婁貸文兵敗被殺，可朱渾道元單騎脫身，東魏軍先敗一陣。
經驗豐富的侯景心知西魏軍士氣正旺，硬碰硬賺不到任何好處。宇文泰進軍瀍水以東、近在咫尺的消息傳來，他與高敖曹等人連夜解除了金墉城的圍，向北撤退。
次日清晨，機警的宇文泰發現侯景營帳已空，馬上率領一支輕騎兵追趕。臨行前，他命大隊人馬到金墉城與獨孤信會合，然後全軍跟進。
宇文泰來到黃河邊上，眼前一片令人震懾的場面：東魏的步騎方陣北據河橋，向南綿延至洛陽城北的邙山腳下，塵土飛揚，不計其數。侯景在此已經恭候多時了！
以宇文泰一貫的作風，他只會打自己有準備的仗，而不會輕易跟從對手的步調，落入對手的圈子裡。或許是一路的勝仗令他信心百倍，眼下又是「箭在弦上，不得不發」，兩軍很快攪合在一起，戰成一團。東魏軍以逸待勞，人數也佔據絕對優勢，不一會兒就把西魏的數百輕騎兵沖得七零八落。
亂戰中宇文泰的戰馬被流矢射中，驚慌奔逃，不知所往。宇文泰不慎墜地，東魏追兵圍攏上來，身後的西魏都督李穆情急生智，飛身下馬，一面揮鞭抽打宇文泰，一面大罵：「狗奴才，你頭頭去哪裡了，怎麼一個人在此處？」宇文泰被打得滿地翻滾，東魏士兵見他這副慘樣，以為是個普通兵卒，也就不予理睬，把他放過。李穆保護宇文泰上馬，逃出了東魏軍的包圍圈。
這是宇文泰在戰場上最為狼狽的一次，若非李穆表演天賦一流，宇文泰早已死無葬身之所。李穆是李遠的弟弟，戰後以救命之功得到了大量的封賞。宇文泰依舊覺得不夠，感歎道：「雖復加之以爵位，賞之以玉帛，未足為報也。」加賜免死鐵券。由於李穆是用一匹青驄馬將他救起，宇文泰又下令馬廄中凡有此種顏色的馬匹，全部賞給李穆。
黃河南岸的東魏軍正欲乘勝反擊，西魏的主力趕到。西魏大軍分為左右兩部，獨孤信、李遠在右，趙貴、怡峰在左，並以李虎、念賢為後軍接應，猛攻東魏方陣，將其分為數段。高敖曹從沒在西魏軍面前吃過敗仗，心高氣傲，故意在陣前豎起旌旗傘蓋，軍隊一亂，就成了活靶子。西魏騎兵以精銳攻擊高敖曹的軍隊，高敖曹全軍覆沒，單騎渡過河橋，逃往北岸的河陽南城。
高敖曹殺敵勇猛，深得高歡器重。高歡平時發號施令，一般使用鮮卑語，如果高敖曹在場，就為他一人使用漢語。高敖曹一次在戰場上幾乎傷重不治，感歎說：「我死無恨，只歎此生不能親見弟弟高季式當刺史！」高歡聽說後，立即任命高季式為濟州刺史。凡此種種，都可看出高敖曹地位之高。可惜他偏偏搞不好與同僚的關係，多次與鮮卑將領發生衝突，甚至因為遭受阻攔而射殺過高歡相府的門衛，東魏將士敢怒不敢言。高歡的極力偏袒，則更加積累了鮮卑人對高敖曹的怨恨。
此時守在南城城頭的，是高歡的堂侄、北豫州刺史高永樂。高永樂厭惡高敖曹已久，眼見高敖曹虎落平陽，心中暗喜，下令緊閉城門。高敖曹呼救不得，又拔刀劈城門，尚未劈開，西魏追兵已到。高敖曹慨然吼道：「取我頭去！給你做個開國公。」這位被比作項羽的大將，結局竟也與項羽如此相似……西魏方面斬獲高敖曹首級的士兵被宇文泰賞賜布絹萬段，每年分期支付，據說，一直到四十多年後宇文氏的北周滅亡，還沒付完。東魏方面，高歡聽聞高敖曹戰死，肝膽欲裂，他將高永樂杖擊二百，追贈高敖曹太師、大司馬、太尉。
東魏雖然損兵折將，但畢竟人多勢眾，又佔主場之利。從早殺到晚，西魏各軍人困馬乏，陷入劣勢，首尾不能相應。大家都不知道文帝和宇文泰的下落，無力集結再戰。獨孤信等人各自退兵，燒營西走。王思政、蔡祐等將領身陷敵陣，下馬步戰，殺傷敵兵無數。王思政受傷昏厥，藏身死屍堆中才被士卒救下。天色漸暗，東魏終於撤退。
西魏各部退到弘農，才稍稍緩上一口氣。宇文泰欣賞王思政不怕死的作風，把他留下鎮守弘農，其餘人馬隨同入關。高歡主力這時剛剛到達黃河渡口孟津，便派部將追擊宇文泰，沒追上。高歡親率大軍攻取金墉城，下令將城池全部毀棄，不再多留兵卒把守。半年之後，西魏軍乘虛又奪回了洛陽，卻無異於佔領一座空城。此時洛陽的得失，更多只是政治上的象徵意義罷了。
這場驚心動魄、一波三折的大戰，史稱河橋邙山之戰，又稱河陰之戰。西魏軍先勝後敗，退回關中，宇文泰意識到一舉消滅高歡並不現實，最終的勝利，需靠關中經濟與軍事力量的長期積累。