汉武帝原拟以霍去病部由定襄北进，闻单于东去，乃改令其出代，命卫青部出定襄。

卫青率前将军李广、校尉公孙敖、右将军赵食其、后将军曹襄等出塞后，得知单于并未东去，遂自领精兵疾进，令李广、赵食其从东路迂回策应。

卫青行千余里，穿过大漠，与早已布阵的单于本部接战，卫青先以武刚车环绕为营，稳住阵脚，随即遣5000骑出战。

至日暮，大风骤起，沙石扑面，卫青乘势指挥骑兵从两翼包围单于。

单于见汉朝军队很多，兵强马壮，自料难以取胜，率精骑数百，突围向西北逃走，匈奴军溃散。

卫青急派轻骑追击，自率主力跟进。

直至寘颜山赵信城，歼敌一万九千人，烧其积粟还师。

李广、赵食其因迷失道路，未能与卫青会师漠北。

霍去病率校尉李敢等出塞后，同右北平郡太守路博德部会师，在深入漠北寻找匈奴主力的过程中，霍去病携带少量的辎重粮草，跨过大漠，过河活捉单于大臣章渠，诛杀北车耆王，又转攻左大将双，缴获敌人的军旗战鼓。

又越过难侯山，渡过弓卢水，抓获屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉等八十三人。

此次远征，霍去病所率部队以一万的损失数量，前后一共斩获胡虏人。

至此，匈奴左、右贤王两只臂膀被彻底斩断，只剩下匈奴单于悬孤漠北。

霍去病封狼居胥山，禅于姑衍，登临翰海而还。

经此一战，匈奴远遁，漠南无王庭。

漠北之战，汉军作战指导明确，准备充分，以骑兵实施突击，步兵担任保障，分路进击，果敢深入，是在沙漠草原地区进行的一次成功作战，在中国战争史上具有重要地位。