卫青率前将军李广、左将军公孙贺、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(今蒙古纳柱特山),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,驱使所俘获的匈奴人为前锋为汉兵开路,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,渡过,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70443人,左贤王部主力自此几乎全没。霍去病封,禅于,临而还。