王晏球在未受命前，已领兵至定州城下，待到朝廷颁诏后，他即刻发动进攻，攻克定州北关城。王都遣使重赂契丹大将秃馁，向其求援。秃馁率五千骑兵南下，王晏球闻讯后，留宣徽南院使张延朗屯兵新乐，自己率军往望都，以堵截契丹援军。但秃馁从其它路线突入定州，与王都突袭新乐，大败张延朗留派的赵州刺史朱建丰所部。
此后，张延朗与王晏球会合，退保曲阳，王都、秃馁乘胜追击，在嘉山与王晏球遭遇。王晏球督励众军短兵出击，诫令道：“敢回首者死！”其部将符彦卿以龙武左军攻王都等军左翼、高行周以龙武右军攻其右翼，中军骑士则抱着战马的颈项冲入敌阵。后唐军三路进击，大败王都、秃馁联军，斩获数千人，自曲阳追击至定州城下，克西关城。王都等一路败逃，横尸弃甲六十余里，不敢出城再战，王晏球考虑到定州城坚，一时难以攻取，于是将西关城增修为招讨使行府及定州行州，收取定、祁、易三州的赋税供应军用，以作长久打算。
不久后，契丹又派其惕隐率七千骑兵救援王都，适逢天降大雨，王晏球亲自领兵迎击，在唐河北大破契丹军。趁胜追至满城，又将其击败，斩首两千级，缴获战马一千匹。后唐军再追至易州，惕隐所部阻于暴涨的河水，遭后唐军掩杀，死伤惨重。惕隐率残部北归，又遭卢龙节度使赵德钧派兵邀击，惕隐及其部众数百人被生擒，押至京师。剩余契丹军队散入村落，被村民击杀，最终逃回契丹境内的，仅剩数十人，史称“自是契丹沮气，不敢轻犯塞”。
王晏球知道定州防守坚固，不能急攻，但偏将朱弘昭、张虔钊却到处宣扬王晏球不敢攻城。李嗣源听说后，促令王晏球加紧攻城。王晏球只得急攻定州，但无功而返，还损失了三千将士。王晏球上奏说：“敌营坚固，一时难以攻克，只要有附近三州的租税供应，抚恤黎民，爱护军士，敌军定当不攻自破。”李嗣源答应了他的要求，不再促战。
定州城中粮尽草乏，王都几次突围都未成功，王都部下马让能开门出降，王都及其亲族自焚而死，秃馁及契丹部众二千人亦被擒获，押往京师。战后，王晏球升迁为天平军节度使兼侍中，成为使相。
王晏球移镇青州，改授平卢军节度使，兼领中书令。在青州镇所逝世，享年六十二岁，朝廷为其辍朝两日，追赠太尉。