河清三年（564年）邙山大败后，北周并未放弃东进野心。武平二年，北周再次发动进攻，晋国公宇文护派郭荣在姚襄城南、定阳城西修筑城池，试图蚕食北齐疆域，周军以柏谷城为支点，倚仗其“石城千仞”之险，切断汾北与河东联系，企图将定阳（今山西吉县）变为楔入北齐腹地的钉子。
北齐后主高纬（高湛之子，565 年即位）命三员大将太宰段韶、太尉高长恭、右丞相斛律光率军抵御。首战便是强攻柏谷，段韶以火弩破城，初战告捷，但真正的鏖战才刚拉开序幕。
定阳城（今山西吉县）地势险要，易守难攻，北周守将杨敷又是一员猛将，多次击退北齐军队的进攻。同年六月，齐军移师定阳城下。城主杨范凭借“三面重涧险阻”的地形死守，战事陷入僵局。七月，更棘手的是，段韶在战斗中突然患病，无法指挥作战，全军重担落在了高长恭肩上。段韶于军帐中召兰陵王嘱托：“贼若突围，必从东南涧口出，简精兵专守，自成擒耳”。此言成为决胜关键。段韶病重被迫先行返朝，军中士气波动，兰陵王以“总其众”之责稳定军心。
高长恭接管指挥权后，并未急于攻城，而是亲自勘察地形。他发现定阳城三面环水，只有东南方向有一条狭窄的山路，是守军唯一的退路。于是，他采纳段韶的建议，制定了 “围点打援” 的战术：一面命士兵继续攻城，虚张声势；一面派一千多名壮士埋伏在东南涧口，等待敌军突围。
果然，北周军队在北齐的猛烈进攻下粮草断绝，宇文宪率领的援军又因惧怕段韶（当时北周不知段韶病重）不敢前进。杨敷无奈之下，只得率领残部趁夜突围。
当他们逃至东南涧口时，高长恭的千余伏兵突然杀出，火把如星矢般射入敌阵。北周军队猝不及防，瞬间溃散。史载其兰陵王“每得甘美，虽一瓜数果必与将士共之”，伏兵千骑愿效死力，正源于此。
兰陵王戴青铜面具突阵，其俊美面容隐于凶厉鎏金之后，周军见之胆裂——此景虽多见于邙山之战记载，但定阳夜战中，面具亦成震慑符号。
伏兵截断退路，杨范部卒被挤压在涧口狭地，“面缚尽获”。此战不仅克复定阳，更生擒仪同薛敬礼、城主杨范等周将。定阳城随之攻克。定阳之战充分展现了高长恭的军事智慧。他不仅勇猛善战，更懂得根据地形制定战术，以最小的代价取得最大的胜利。
此前邙山之战时，兰陵王一句“家事亲切”早已埋下祸根。战捷的消息传至邺城，后主高纬的忌惮更深。定阳战后，他故意收受贿赂，纵容部下敛财，其心腹尉相愿直言：“王既受朝寄，何得如此贪残？”兰陵王黯然答：“岂不由芒山大捷，恐以威武见忌，欲自秽乎？”
战后，高纬加封他为大司马，赏赐绸缎千匹，并将定阳附近的土地赏赐给他作为食邑。
据统计，高长恭一生历经大小战役数十次，从未有过败绩，堪称北齐的 “守护神”。
定阳战役后，段韶病逝，斛律光遭戮，兰陵王孤木难支。三年后，一杯御赐毒鸩入口，北齐的守护长城尽被内部摧毁。