衛青率前將軍李廣、左將軍公孫賀、右將軍趙食其、後將軍曹襄等出塞後，得知單于並未東去，遂自領精兵疾進，令李廣、趙食其從東路迂迴策應。衛青行千餘里，穿過大漠，與早已佈陣的單于本部接戰，衛青先以武剛車環繞為營，穩住陣腳，隨即遣5000騎出戰。至日暮，大風驟起，沙石撲面，衛青乘勢指揮騎兵從兩翼包圍單于。單于見漢朝軍隊很多，兵強馬壯，自料難以取勝，率精騎數百，突圍向西北逃走，匈奴軍潰散。衛青急派輕騎追擊，自率主力跟進。直至（今蒙古納柱特山），殲敵一萬九千人，燒其積粟還師。

李廣、趙食其因迷失道路，未能與衛青會師漠北。

霍去病率校尉李敢等出塞後，同右北平郡太守路博德部會師，在深入漠北尋找匈奴主力的過程中，霍去病攜帶少量的輜重糧草，驅使所俘獲的匈奴人為前鋒為漢兵開路，跨過大漠，過河活捉單于大臣章渠，誅殺北車耆王，又轉攻左大將雙，繳獲敵人的軍旗戰鼓。

又越過，渡過，抓獲屯頭王、韓王等三人，將軍、相國、當戶、都尉等八十三人。此次遠征，霍去病所率部隊以一萬的損失數量，前後一共斬獲胡虜70443人，左賢王部主力自此幾乎全沒。霍去病封，禪於，臨而還。