显德六年（959年），南方既定、淮南底定，后周国力鼎盛、兵甲充盈、府库充实。扫平南国割据之后，柴荣终于得以腾出手来，践行十年开拓天下的初心，将毕生最后的宏图壮志，投向沦陷数十年的燕云故土。
自唐末五代以来，契丹趁中原内乱，抢占幽云十六州天险，居高临下俯瞰华北平原，屡屡铁骑南下、劫掠边民、侵扰疆土，成为中原王朝最大边患。柴荣素以收复故土、屏障中原为己任，不愿让山河割裂、华夏受制于夷狄。四月，他决意倾尽精锐、御驾北伐，彻底拔除北疆大患。
此次北伐，柴荣筹谋已久、调度周密，不兴疲民之役、不发无名之师，精选数万精锐步骑，整肃军纪、配齐甲仗粮草，自河北沧州挥师北上，长驱直入辽境。彼时契丹辽朝疏于边防守备，边军懈怠、将无战意，加之周军经连年征战，百战成精、士气冲天，军纪严明、所向精锐，与暮气沉沉的辽朝边军形成天壤之别。
周军北伐之路势如破竹、雷霆万里。大军兵临宁州城下，辽宁州刺史王洪眼见周军军容鼎盛、旌旗蔽日，自知孤城难守、无力抗衡，深知大势已去，不敢负隅顽抗，当即大开城门，举城归降，周军兵不血刃拿下宁州。
收复宁州之后，柴荣不改迅猛攻势，统领水陆大军双线并进、顺势推进，骑兵沿岸疾驰、水师沿河挺进，兵锋直指燕云核心关隘。大军进抵益津关，此关为辽朝南疆重要门户，地势险要、扼守要道，辽守将终廷晖见周军压境、兵威赫赫，全无抵抗之心，随即率守军献关归降，益津关天险就此归入后周版图。
周军乘胜追击，即刻进军天下雄关——瓦桥关。瓦桥关为幽云三关之首，是屏障幽州的最后一道咽喉要塞，辽朝重兵驻守。然连年安乐的辽军早已锐气尽失，守将姚内斌目睹周军连战连捷、势不可挡，深知军心涣散、战力悬殊，不愿徒增杀戮、死守覆灭，毅然率众献关投降。
瓦桥关既破，辽南疆防线彻底崩塌，沿线州县闻风震恐、人人自危。辽莫州刺史刘楚信见三关险要尽失、大势倾颓，孤立无援之下，亦举莫州全境归顺后周。短短数日，北疆数处重镇、险关、大州接连归降，周军北伐一路摧枯拉朽，辽朝南疆防御体系全线溃败。
时至五月，北伐大捷之势愈盛。辽瀛州刺史高彦晖审时度势，不愿为垂死的辽朝割据卖命，遂以瀛州全境归顺后周，又为中原收回一处北疆重镇。与此同时，义武节度使孙行友率部北上攻坚，力克辽朝盘踞的易州，破城生擒辽易州刺史李在钦，彻底肃清易州境内辽军势力。
疆土收复、大势初定，柴荣着手稳固新得疆土、建制立守、镇守边关。为永久管控益津、瓦桥两大战略关隘，杜绝契丹再度南侵，朝廷下诏划地建制：以瓦桥关为核心设立雄州，以益津关为核心设立霸州，取雄霸北疆、镇守国门之意，派驻重兵、修筑城防、安置百姓，筑牢中原北疆屏障。
大军驻守瓦桥关休整之际，先锋都指挥使张藏英主动请缨，率精锐骑兵出关北进，于瓦桥关以北突袭辽朝游动骑兵，一举击溃数百辽骑，扫清关外残余敌兵，顺势攻克固安县，进一步拓展北疆纵深，兵锋直逼幽州腹地。
此次旷世北伐，堪称五代以来中原对契丹最辉煌的大捷。柴荣整军出征，前后仅四十二日，大军所向披靡、鲜有血战、兵不血刃，接连收复幽云三关、三州之地，囊括十七县疆域。沦陷数十年的中原故土重归汉土，北疆百姓重沐王化，契丹举国震动、朝野惶恐，一度无力南窥中原。
连战连捷、全线告捷之下，柴荣壮志未减、战意愈浓。五月丙午日，柴荣于瓦桥关大营召集全军诸将，召开军事会议，决意乘此全胜之势、挟雷霆之威，挥师北上、直捣黄龙，一举攻克幽州，彻底收复幽云全境，永绝北疆边患。
未曾想，此番决策却遭到全军诸将集体劝阻。诸将皆以为，大军转战月余、长途奔袭，士卒疲惫、亟待休整；且幽州为辽朝南京重镇，契丹必定举国精锐死守，攻坚难度极大、恐难速胜，贸然深入恐生变数，不如暂且休兵守土、休整再战。
一众将帅纷纷进言、恳请班师休整，唯独柴荣雄心未泯、执意进取。他深知战机转瞬即逝，如今辽军胆寒、军心溃散，正是一举收复幽云的最佳时机，不愿半途而废、错失千秋功业，故而拒不采纳诸将保守之策，执意筹备进军幽州。
奈何天不假年、天妒英主。就在北伐大功将成、即将挺进幽州的当夜，柴荣骤然身染重疾，高热不止、身心俱损，病情来势汹汹、急转直下。随军御医诊治之后，皆言圣体劳损过甚、需即刻返程静养，不可久驻边关、不可继续征战。
万般无奈之下，胸怀万丈宏图的柴荣，只能抱憾作罢北伐大计，放弃收复幽州的毕生夙愿，自雄州下令班师回朝。一代英主壮志未酬，北伐伟业戛然而止，成为五代最大的历史憾事。
大军南返途中，战事并未完全停歇。显德六年（959年）六月，昭义节度使李筠乘后周北伐威震天下之势，出兵征伐依附契丹的北汉，顺利攻克北汉辽州，生擒辽州刺史张丕旦，进一步削弱北汉势力、稳固河东防线。
同月，柴荣率军返还都城开封。彼时他身染沉疴、自知时日无多，强撑病体着手安排身后朝政、稳固国本、制衡朝局，为幼主铺路。为防权臣宿将权重乱政、杜绝藩镇将帅专权隐患，柴荣下诏解除驸马张永德殿前都点检的禁军最高兵权，免去其核心军职。
随后，他破格擢升战功卓著、沉稳可靠、屡立大功的赵匡胤，接任殿前都点检一职，执掌京城禁军兵权。同时，册封年仅六岁的皇长子柴宗训为梁王，明确储君身份，确立国本，寄望众臣辅政、安定后周社稷。
连日操劳国事、呕心沥血，加之旧疾新病叠加，柴荣病情急剧恶化。显德六年六月十九日（公元959年7月27日），五代第一英主柴荣，于开封皇宫万岁殿溘然长逝，终年三十九岁，自登基至驾崩，在位整整六年。
柴荣在位六载，内修法度、革除弊政、安抚万民、恢复民生，外扫割据、南征北战、拓土开疆、威震四夷，以短短数年之功，扭转五代百年乱世颓势，为天下一统奠定万世根基。其壮志、其仁德、其雄才，冠绝五代诸帝。
柴荣驾崩薨逝后，朝廷为其上谥号睿武孝文皇帝，定庙号世宗。同年八月，朝廷正式议定帝谥、完备礼制；十一月，举国举哀，将世宗灵柩隆重安葬于新郑陵上村庆陵，一代旷世英主，终归黄土，留千秋功业、万世盛名于人间。