此後，杜重威的一再請求增兵，石重貴又將禁軍悉調隸其麾下。晉軍到達瀛州城下，瀛洲城門大開，杜重威遲疑不敢前進，又聞契丹將高模翰已引兵潛出，遂遣偏將梁漢璋率2000騎追擊，梁漢璋戰敗被殺。杜重威聞訊，退兵至武強，耶律德光乘勢率大軍沿易、定直趨恆州。
聽聞耶律德光親自南下，本欲繼續南撤，但在張彥澤建議下，與其合兵，西進至恆州城下的滹沱河南岸。
河上的中渡橋，被契丹軍佔領，張彥澤遂率騎爭奪，契丹軍焚橋，兩軍夾河而陣，與恆州守軍形成對契丹大軍的南北夾擊的之有利形勢。行營轉運使李谷曾勸杜重威與恆州守軍相約舉火為號，再招募敢死之士渡河，與恆州守軍南北夾擊契丹，契丹必然潰敗，行營眾將皆認為此計可行，但杜重威拒絕採納，並將李谷調離大營。耶律德光遣別將蕭翰等從他處渡河迂迴晉軍之後，搶佔欒城，盡扼晉軍糧道及退路。
晉廷收到杜重威請求増兵的書信，此時京師兵力已經枯竭，但石重貴仍將皇宮守衛的數百人悉數派往前線。
至此，大梁城內宿衛禁軍，幾乎全部派往前線，這使得京城中人心惶惶。晉軍糧草將盡，行營軍奉國都指揮使王清，自請率兵兩千前出，為大軍入守恆州開道。杜重威應允，並派行營步軍左廂都指揮使宋彥筠與之同往，宋彥筠失利退回南岸，獨留王清部於北岸列陣抵禦契丹軍。
然而，此時主帥杜重威心懷異志，怯懦懼戰，不許大軍繼進，致使王清所部皆戰死。隨後契丹軍於他處渡河，將晉軍主力遠遠包圍，晉軍士氣低迷，且與京城糧食訊息完全斷絕。杜重威以糧盡被圍為由，與監軍李守貞等合謀舉軍投降，耶律德光佯許立其為帝。杜重威遂脅迫行營將士出降，晉軍將士聽聞主將投降的決定後，都驚愕大哭。
耶律德光遂將杜重威麾下兵馬，分出一半由契丹先鋒趙延壽統帥，並收繳了歸降晉軍的馬匹和武器，命杜重威領著手無寸鐵的晉軍降卒一起南下。杜重威親自引耶律德光大軍到恆州城下，勸降順國節度使王周，王周遂獻城投降。
一時間後晉諸鎮望風而降，契丹軍乘後晉後方空虛，揮師南下，直入大梁，晉帝石重貴奉表出降，後晉滅亡。
杜重威部奉命駐紮於大梁城外的陳橋，時值寒冬，契丹人並不供給晉軍降卒衣物糧食，晉軍士卒苦不堪言，耶律德光數次擔心晉軍降卒過多，想要殺俘，最後在趙延壽的勸諫下作罷。京都百姓亦受契丹劫掠之苦，見到杜重威出行，紛紛咒罵於道。
不久，有群盜截斷澶州的浮橋，耶律德光擔心其退路被截斷，遂遣杜重威領軍回到鄴城。
耶律德光稱帝，建國號大遼，改元大同，由於遼軍的大肆劫掠和扣押藩鎮節度使，激起中原百姓和藩鎮軍反抗的浪潮，劉知遠看準時機，在太原稱帝，建立了後漢政權，並沿用石敬瑭的年號，稱天福十二年。
中原各地紛紛歸附後漢，遼太宗耶律德光以“中原人難治”，回師北上，路過鄴城時，杜重威更是攜妻，親自到大帳奉上禮物恭送其離開。
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劉知遠，平定京師大梁，遙拜杜重威為太尉、歸德軍節度使。不久，就令杜重威移鎮歸德，與原歸德節度使高行周對調。
杜重威因曾經降遼，害怕被朝廷清算而拒不受命，並遣其子杜弘璲向鎮州的遼將麻答求援，麻答下令蕃將楊袞率軍救援鄴城。鎮州將士趁遼軍守衛力量空虛，遂驅逐遼將，歸附後漢，楊兗率遼兵至洺州，聞之遂返。
劉知遠下令高行周與慕容彥超，率軍討伐杜重威。劉知遠初平京師時，有人告密說遼駐守繁臺的一千五百燕兵將要反叛，劉知遠不問而誅，其中部分燕兵逃到鄴城，將這一情況告知燕將張璉。
當時，張璉率幽雲之地的精卒兩千，幫助杜重威守城，故而張璉勸說杜重威誓死守城，兩人守城意志堅決，漢軍久攻不下。劉知遠恐生他變，親自來攻，死傷甚巨，劉知遠見強攻不克，繼而圍困鄴城，並多次遣人招降杜重威，許以不死，張璉因憤恨劉知遠盡殺燕兵，略無降志。
鄴城糧草用盡，城中將士多逾城逃亡，杜重威著素服出城請降，劉知遠殺張璉等將數十人，但赦免杜重威，加封為檢校太師、守太傅、中書令，將其家遷往京師，並將杜重威的財產全部沒收賜給出徵漢軍，其部下全部處死。
在平定安重榮之亂後，將獲得的安重榮家產和恆州的公帑全部歸為己有，恆州任職期間，他再次向民眾徵收重稅，導致境內人民深受其苦，百姓紛紛逃離其治所。加之恆州處於契丹入寇和回軍的路線上，反覆遭受契丹鐵蹄的蹂躪，導致境內人口銳減。
後晉北方地區天災不斷，朝廷認為恆、定饑荒最為嚴重，唯獨對這兩州不括民谷，但順國節度使杜重威卻以軍食不足為由，於境內括谷，把民間搜刮得幾乎連一粒糧食都沒留下，得一百萬斛，只上報三十萬，其餘皆入私囊，又令人借民糧百萬斛，待來夏糶米又得二百萬緡。
劉知遠病危，臨死前以杜重威反覆無常，想要除掉他，令宰相蘇逢吉等秘不發喪，誘殺杜重威及其三子，屍體被棄市，遭市人踐踏而盡。只有杜重威的妻子石氏後晉公主）及其外親族免罪，供奉如常。
杜重威，在後晉開國初年，接連參與討伐張從賓、範延光、安重榮的叛亂，為維護晉初國內穩定有著積極的貢獻，然而其在後晉對契丹的作戰中，消極避戰，率軍投順，亦直接葬送了後晉的國祚。
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