柴荣在震慑了南方政权之后，按计划出兵辽国，还基于一个现实的考虑。当时的辽国，国力虽强，但矛盾激烈。时任皇帝辽穆宗，晚上喝酒，白天睡觉，被国人称为“睡王”。以辽国的国力，来一个昏君，中原政权收复幽燕还有胜算，若是来一个明君，基本就没戏了。柴荣攻打辽国，正是想抓住其内乱的政治窗口期。
959年，柴荣在位的第六个年头。农历三月，他率军北上伐辽，势如破竹，接连收复瀛、莫、易三州，以及瓦桥、益津、淤口三关，仅用了42天。这对辽国的震慑很大，史书说，辽国“凡蕃部之在幽州者，亦连宵遁去”。
五月，柴荣正要乘胜进取幽州，却突然患病。传说他行至一地，询问当地人地名，对之“病龙台”，他听完默然。病情加重。回到开封，六月病逝，年仅39岁。
后来，宋真宗赵恒曾无限惋惜地说：“（柴荣）非遇疾班师，则克复幽蓟矣。”
王夫之复盘并对比了柴荣、王朴和赵匡胤三人的统一战略，推柴荣为第一，王朴第二，赵匡胤第三。他深有感触地说：“其有疾而竟不克者，天也；其略则实足以一天下，而绍汉唐者也。天假之年，中原其底定乎！”