大将军卫青麾下，李广为前将军，公孙贺为左将军，赵食其为右将军，曹襄为后将军。卫青考虑到前将军李广年纪已高、运气又不好，就没让他担任先锋，而是与右将军赵食其两军合并，从右翼进行包抄。卫青自己率左将军公孙贺、后将军曹襄从正面进兵，直插匈奴单于驻地。
赵信向伊稚斜单于建议：“汉军不知道厉害，竟打算穿过沙漠。到时候，人困马乏，我们以逸待劳，就可以俘虏他们。”于是下令所有的粮草辎重，再次向北转移，而把精锐部队埋伏在了沙漠北边。
卫青大军北行一千多里，跨过大沙漠，与严阵以待的匈奴军遭遇了。卫青临危不惧，命令部队用武刚车(铁甲兵车)迅速环绕成一个坚固的阵地，然后派出5000骑兵向敌阵冲击。匈奴出动一万多骑兵迎战。双方激战在一起，非常惨烈。黄昏时分，忽然刮起暴风，尘土滚滚，沙砾扑面，顿时一片黑暗，两方军队互相不能分辨。卫青乘机派出两支生力军，从左右两翼迂回到单于背后，包围了单于的大营。伊稚斜单于发现汉军数量如此众多，而且人壮马肥，士气高昂，大为震动，知道无法取胜，就慌忙跨上马，在数行精骑的保护下奋力突围。向西北方向飞奔而去。
这时，夜幕已经降临，战场上双方将士仍在喋血搏斗，喊杀声惊天动地。卫青得知伊稚斜单于已突围逃走，马上派出轻骑兵追击。匈奴兵不见了单于，军心大乱，四散逃命。卫青率大军乘夜挺进。天亮时。汉军已追出二百多里，虽然没有找到单于的踪迹，却斩杀并俘虏匈奴官兵 19000多人。卫青大军一直前进到真颜山赵信城(今蒙古乌兰巴托市西)，获得了匈奴屯积的粮草，补充军用。他们在此停留了一天.然后烧毁赵信城及剩余的粮食。胜利班师。
霍去病率领的东路军，北进两千多里，与匈奴左贤王的军队遭遇。经过激战，俘获了匈奴三个小王以及将军、相国、当户、都尉等83人，消灭匈奴七万多人。左贤王败逃而去。
这次战役，汉军打垮了匈奴的主力，使匈奴元气大伤。从此以后，匈奴逐渐向西北迁徙，出现了“漠南无王庭”，匈奴对汉朝的军事威胁基本上解除了。
