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。
