顯德五年（958年）三月，後周徵南唐的戰爭終告結束，獲得了江北十四州的領土，柴榮的注意力又轉移到北方問題上。事實上，無論是江淮大國南唐，還是割據河東的北漢政權，或多或少都與北朝大國契丹遼朝有關係。北漢自不待言，侷促於河東，原本對契丹的依賴就很大，高平之戰中就有契丹大軍從參與。
南唐雖然距遼國遙遠，但是從其先主李昪開始，就試圖秘密結盟契丹，實現夾攻中原政權的目的。後周南侵南唐之時，在顯德三年二月，戰爭初期，南唐元宗李璟就曾派人攜蠟丸書求救於契丹，不過途中被後周軍隊截獲。是年十二月，南唐又派出兵部郎中陳處堯持重幣浮海至契丹乞師。
顯德四年（957年）中，當南北戰爭最為激烈之時，南唐又派出使臣遠赴遼國，且其中一次為“奉蠟丸書”。雖然南唐求盟契丹的努力沒有什麼明顯成效，但是對於後周而言，契丹問題是必須要面對的，柴榮又是一個有意恢復漢唐大一統的“雄主”，故而對遼戰爭難以避免。
柴榮北伐
後周顯德五年二月，建雄節度使楊廷璋敗北漢兵於隰州城下，“斬首千餘級”。是年四月，遼國南京留守蕭思溫出兵攻陷邊境一些後周的州縣。契丹人的軍事行動看似是對後周擊北漢的一種報復，但是從《遼史·蕭思溫傳》的記載看，似乎又不是那麼簡單，“初，周人攻揚州，上遣思溫躡其後，憚暑不敢進，拔緣邊數城而還”。可見，在後周攻南唐的時候，契丹並非毫無作為，乘虛南進的可能性很大，只不過因為主帥蕭思溫的遲疑而未能成功。
在結束南方戰事之後，柴榮返回大梁，得知契丹襲邊的情報之後，立即命澶州節度使張永德赴北邊，以備契丹。隨後，後周軍隊在多個地區對契丹及北漢展開了報復性軍事行動，五月，成德節度使郭崇攻陷契丹束城；六月，“昭義節度使李筠奏擊北漢石會關，拔其六寨”，“晉州奏都監李謙溥擊北漢，破孝義”；是年閏七月，後周邢州留後陳思讓又大破北漢軍於西山之下，“斬首五百級”。
後周凌厲的攻勢令契丹人感到緊張，遼國的南京留守蕭思溫鎮守的幽燕地區可能就是後周軍隊下一步進攻的目標。蕭思溫向遼穆宗請求增兵，加強防禦。但是，遼穆宗的回覆卻是：“敵來，則與統軍司並兵拒之；敵去，則務農作，勿勞士馬。”
遼穆宗在歷史上曾被評價為“畋獵好飲酒，不恤國事”的“睡王”，他對後周的進攻似乎沒有應有的反應。但是，這種評價並非事實，遼穆宗的態度只是說明了契丹人對於後周軍事實力很有忌憚，一切應對非常謹慎。
遼穆宗
顯德六年（959年），柴榮發動了對遼國的全面進攻，準備收復趙德鈞、石敬瑭時代被契丹人佔據的幽燕地區。在大軍出擊之前，柴榮預先做了兩個部署：命義武節度使孫行友扼守定州西山路，防止北漢救援契丹；又令侍衛親軍都虞侯韓通等將領率軍先行出發自滄州治水道入契丹境，以為先鋒。
是年三月，柴榮親率大軍從汴京出發。十七天後抵達滄州，但未作停留，立即就親率步騎數萬從滄州啟程，直趨契丹之境。柴榮的戰略可謂兵行險招，從滄州繞行直入契丹控制區域，企圖出奇制勝，“河北州縣非車駕所過，民間皆不之知”，這也確實是柴榮一貫的作戰風格。
柴榮離開滄州之後，第二日即抵達乾寧軍（河北省青縣），遼國寧州刺史不戰而降。柴榮在乾寧軍訓練水師，準備水陸分兵繼續北上，以侍衛親軍馬步軍副都指揮使韓通為陸路都部署，忠武軍節度使趙匡胤為水路都部署。兩日後，柴榮本人也乘龍舟由水路北上。
又過了兩日，後周水軍抵達獨流口（今天津靜海獨流鎮），“舳艫相連數十里，在此處“溯流而西”，順滹沱河西行，再兩日後抵達益津關（今河北霸州），契丹守將終廷暉舉城投降。自益津關以西，水路漸隘，水軍無法繼續前進，柴榮舍舟登陸，在趙匡胤的護衛下繼續進軍。很快，後周軍隊抵達瓦橋關（位於河北雄州西南），契丹守將姚內斌不做抵抗而投降。在這之後的兩天內，契丹莫州刺史劉楚信、瀛洲刺史高彥暉又先後舉城歸降。至此，後周幾乎兵不血刃收復了瓦橋關以南所謂的關南之地，“共得州三、縣十七、戶一萬八千三百六十”。
柴榮進軍為何會如此順利呢？主要原因在於契丹軍隊並不善於守城，而且關南沒有部署重兵，在後周大軍來襲的情況下根本不可能做有效抵抗。遼國南京留守蕭思溫是以外戚身份上位的庸才，後周佔領關南之後，蕭氏“不知計所出”，畏戰不出，龜縮於幽州。
柴榮北伐雖然宣稱要一舉收復幽燕地區，但是輕取關南似乎已經超出了預期。柴榮的勝利在當時後周史官眼中竟然只是“以王者之師， 馳千里而襲人，輕萬乘之重於萑葦之間，以僥倖一勝”，足見契丹並非不堪一擊。
雄心滿滿的柴榮在收復關南之後，立即召開軍事會議，討論是否繼續北上直取幽燕。皇帝雄心勃勃，但是手下將帥卻並不樂觀，他們多數人都認為“陛下離京四十二日，兵不血刃，取燕南之地，此不世之功也。今虜騎皆聚幽州之北，未宜深入”。
儘管反對聲音很大，但是皇帝已然堅持己見。柴榮很快就下達了繼續進攻的命令，命先鋒都指揮使劉重進先發，進佔涿州固安縣。但是，一件意外改變了歷史的走向。正當柴榮準備乘勝進取幽燕的時候，卻在瓦橋關突發急病，軍事行動不得不暫停下來。在此之後，除了定州節度使孫行友攻克遼易州外，後周再無較大軍事動作。
遼國方面並非毫無應對，在得知瀛洲、莫州淪陷時候，遼穆宗親臨幽州，坐鎮指揮，並遣使赴太原向北漢求援。正是因為遼國在幽州一帶集結兵力，才有了柴榮麾下眾將所言的“虜騎皆聚幽州之北”的判斷。後周方面也及時收縮，不再繼續北伐，而是以鞏固已有戰果為主，以瓦橋關為雄州，以義成節度留後陳思讓為雄州都部署；以益津關為霸州，以侍衛馬步都指揮使韓令坤為霸州都部署，併發濱、棣二州丁夫重修霸州城池。從遠期戰略看，後周並未放棄北伐幽燕的目標，雄州、霸州就是後周繼續北進的橋頭堡。
周世宗陵
顯德六年（959年）六月，病中的柴榮從雄州出發，南歸大梁。令所有人意外的是，六月十九日，柴榮就突然崩逝，終年三十九歲，廟號世宗。很多史書都為周世宗的英年早逝和壯志未酬為扼腕痛惜，但是當時的契丹實力強大，遼穆宗親臨幽燕，如果交戰真是勝負難料。另外一方面，周世宗在北伐之前派軍阻斷了北漢救援幽燕地區的交通孔道，如果戰爭持續深入，能否一直將北漢隔絕於戰爭之外還是一個疑問。倘若北漢加入戰爭，後周在河北戰場就難以佔據優勢地位了。
歷史無法假設，周世宗未能北伐幽燕或許是個遺憾，但未嘗又不是一種幸運，一次避開失敗甚至亡國的幸運。
