平城之下，漢軍已圍城近三月之久。
拓跋詰汾成功逃月兌重圍後，劉備以為城中守軍大減，兵力更為懸殊，定然無力面對漢軍的四面圍擊，當即下令諸軍在次日發起總攻，試圖在鮮卑援軍到來前攻下平城。但他未料到單于赴死的威力，單于在臣民眼前壯烈身死，城中鮮卑不分男女老幼，無不發狂落淚。
戰前，陳沖又派人射書城中，聲稱只要城池，城中生人皆可放離去，但鮮卑人卻在城頭嚴辭拒絕說︰城在人在，城亡人亡。
于是漢軍開戰，城中壯丁雖走了大半，但步度根仍能征調城中老人婦女，他們到底是草原上的民族，生長在馬背之上，整日狩野獵獸，等這些鮮卑人披上皮甲走上城牆，在漢軍前揮刀射矢，漢軍們到得牆上，見老人和婦人們瞪圓了眼楮，口里叫嚷著難以名狀的聲音，不由得有些氣餒，竟為他們所接連打退。
接連攻了十余日，漢軍仍不能取得進展，劉備顧忌傷亡，便轉而繼續挖掘壕溝，廣修壁壘，大興土山，對平城做長久圍困打算。而到十一月初三，副伏羅去賓從彈汗山討得兩萬援軍，加上自己本部的兵馬合計三萬多人，南下代郡，初四到達高柳，初五便到達白登山，在距離平城不到二十里的山腳扎營。
東陣的令狐淵見去賓前來，鮮卑大軍佔據山巔，遍山遍野，好似烏鴉蓋頂般黑壓壓一片，心中都不免有所動搖，趕緊向帥營稟告，劉備听聞通報，直接回信說︰「自我們來時，本就討論過這般情形，何必如何驚惶？你在背面也挖掘壕溝，防止他們下山沖陣即可，鮮卑的援軍還未全至，到那時才是決戰時刻！」
果然如他所言，十一月初七，在北方又有一支人馬趕來。為首的正是拓跋詰汾，他突圍之後直奔成樂，派手下使者在雲中、五原、陰山來回盤旋，號召鮮卑各部救援王庭。听聞單于遇險，響應他號召的有置鞬部大人莫羅、日律部大人推臣、宴荔游部大人孤迄侯、沒鹿回部大人竇賓。拓跋詰汾得以重整四萬之眾，進駐在距離平城西北方四十里的雲岡山間。
七萬鮮卑大軍在漢軍一左一右，加上平城內部的步度根部，將城下的漢軍逼得進不能攻城，退不能撤軍。但拓跋詰汾遠看平城下密密麻麻的柵欄與壕溝，心中想起沙陵一戰的慘敗，不敢進攻貿然進攻，他先令部下就地休整，隨後親身去副伏羅去賓部中，與他商議進攻的布置，並定下兩軍于十一月初十，東西並進夾擊漢軍。
而在圍城的時間里，漢軍也正激烈地商討著對敵決策，大抵分為兩派，一派如令狐淵顧益等提議撤軍返回，另一派則如郭大關羽主張在撤圍決戰，兩者相持不下，唯一的共識只有先行撤圍。月復背受敵實在是作戰的大忌，當年昆陽之戰時，王邑率領四十萬大軍圍攻昆陽，鉦鼓宣天，萬里肅齊，卻為世祖區區萬余人所敗，世人皆道是王邑內外作戰，難以協調的緣故。如今漢軍兵力與鮮卑人相仿佛，若是在城下決戰，結局實在是凶多吉多。
劉備也傾向于撤圍決戰，他一向極有傲氣，征戰近十年來，有勝有敗，但他多不在意，只是想到平城只有萬余老弱，而他圍攻月余竟徒勞無功，這實在讓他咽氣不下，他等眾將說完，正要拍板定下戰略，陳沖暗地里踢了他一腳，他便改口說︰「事關重大且讓我思慮一番。」讓眾將出營稍息，自己與陳沖、關羽、張飛一起留在帳中。
劉備先問他︰「庭堅你有何意見？何不在會上直言？」陳沖解釋說︰「我意見與眾將不一，更與玄德你不合，如今我身份敏感，不當損你威柄，大戰決策還是和你商議後再說吧。」關羽反應最快，他訝異道︰「庭堅你不主張撤圍嗎？」
陳沖頷首表態，他負手站在新畫的地圖前，對著如今的戰爭態勢說道︰「如今我軍分為十陣，四面包圍平城，若是撤圍時敵騎前來，城北與城西的五陣撤離極為不易，而要與鮮卑人決戰，敵軍馬多人眾，我軍又客戰在外，若論決戰，我不覺有五成把握。
不如就在城下堅守。自圍城以來，我們日日都在掘土挖溝，廣修柵欄，至今已堪比一座小城，正可謂是我軍的地利，不過是打持久戰，我們營中已囤積足食兩月的糧草，大不了快吃完時再撤軍，到那時敵軍久攻營寨不下，也無力阻擋我軍撤圍了。」
說到這里，三人都頗為贊同陳沖意見，只是劉備還有一個疑問︰「只是月復背受敵，戰時恐不易施為罷！」
陳沖最後解釋說︰「當年昆陽之戰，昆陽城中尚有八千善戰勇士，而如今平城之內，多半都是婦女老叟，他們守城尚算足用，出城攻戰便與戰兵有天壤之別，完全不足為慮。玄德，若是我軍現下撤圍，鮮卑人不與我軍決戰，徑直入城避戰固守，我等又該如何呢？一旦如此，我們這一月的苦戰才算真正白費功夫了。」
這些話成功說服了劉備，他便重新召開軍議，將新的布置傳達給諸將︰全軍繼續圍困平城，且陣勢不變，唯一的變化是將圍城的鹿角全部轉移至外陣，防止鮮卑援軍沖鋒，並令全軍加緊修繕工事。
初十時，鮮卑援軍對漢軍軍陣進行第一次沖鋒。拓跋詰汾沒有全面進攻，他在山上觀察漢軍的陣勢，覺得漢軍如同一條盤山之蛇，只需將其斬為兩截，全軍勢必難以相顧，于是這天他與副伏羅去賓從城北的平原出發，聚集鮮卑甲騎策馬沖擊漢軍北三陣。
北三陣的首領乃是白波校尉郭大、圜陰校尉楊奉、三川校尉胡才。楊奉經歷沙陵之戰後，對甲騎具裝的威力心有余悸，他事後與郭大等人探討對策，得出結論，馬匹披甲誰能籠罩馬身大部，卻難遮馬足，想要正面戰勝甲騎，許得從馬足著手，因此得到繼續圍城的命令後，白波軍便在壕溝前來回數丈灑上涼水，深冬寒竣，只一夜下來，壕溝前便結上薄白的冰層，在冰層之後白波軍再扎滿鹿角，鹿角的尖刺鮮亮，便是白波軍自己看了也頗覺膽寒。
鮮卑甲騎沖在前陣，渾沒在意冰層，等馬蹄踏上後才忽覺不對，馬匹受力不穩，最先的幾十騎都滑倒在地，騎士們也摔得頭暈目眩，正迷糊間，前線的白波人拿著繩子從鹿角間鑽出來，把這些騎士綁了，拖回到漢營里做了俘虜。
後方的鮮卑甲騎見狀，只能下馬上前與漢軍作戰。騎兵失了馬力，下馬也不過是尋常甲士罷了，他們上前到鹿角間廝殺，側翼都暴露在漢軍望樓的箭雨下，丟下不少尸體，等廝殺到兩個時辰以後，漢軍其余諸陣的援軍到了，拓跋詰汾在山上看到這番景象，心中極不甘心，卻也沒有辦法，只能令號手吹角息兵。
在這廝殺的兩個時辰間，城中的步度根看到援軍前來，也曾派出城中僅剩的一些壯丁出城響應，但他們人數太少，僅有區區五百余人，仍然無法突破漢軍事前挖掘的壕溝。見援軍撤去，他們便也只能撤回城中，正合陳沖的預料。
在接下來的一個多月內，鮮卑援軍三日一攻，白日不成，拓跋詰汾便令騎士夜襲，平原沖擊不成，拓跋詰汾便讓大軍下馬在丘陵對射，但都被漢軍打退。最後他想到冬日干燥，不如便在漢軍鹿角處縱火。可也沒有作用，漢軍日日給鹿角潑水，竟在鹿角上也結了一層冰稜，鮮卑人沖上前來未能點燃鹿角，反而因逆風點燃御寒的裘裝，燒死了十來人。
日夜的強攻都無法撼動漢軍的防線，而平城內的步度根卻堅持不住了，平城此前將糧草運往劇陽，城中的糧食僅能堅持兩月，步度根幾次削減份額，拖到如今這個時間，已經不能再拖，他只能在城中點燃麻蘊，以黃煙命令拓跋詰汾于不日發起總攻。
鮮卑援軍只能放棄原計劃，打算在十二月二十四與漢軍正面會戰。拓跋詰汾與鮮卑諸帥反復推敲，在這一月間，他們幾乎試探過漢軍的每一個陣勢，如今想來，是以城東顧益陣最為薄弱，顧益陣北方與東方俱是坦途，但在顧益陣中恰有一處小丘，丘下有一道水流，這將此處的漢軍分為三部，其余漢軍營寨也難以迅速支援。鮮卑人決定在此處開啟會戰。
會戰的地點最為重要，當年漢高祖被冒頓單于圍在白登，便是吃虧在地形不利。如今白登山就在鮮卑人腳下，他們以此作為吉利的象征，在夜里用犧牲獻祭山神，兵士們看著祭祀的篝火，都相互鼓舞說︰先王保佑，天神保佑，鮮卑長生。
平城腳下的漢軍尚不知道決戰即將到來，只是在寒風中細數著時日，企盼著能在過年前回鄉團聚。