赵信替单于出主意说：汉军已越过沙漠，人马疲乏，匈奴可以坐收渔利了。
匈奴以为此战必胜，便把粮草给养全部运到北面，布下全部精锐部队，等候在大漠以北。大将军卫青的部队，出塞一千多里，看见匈奴单于的军队列队等在那里，就下令用武刚车围成圆盘。又命五千骑兵前去攻打匈奴。
匈奴派出一万骑兵来迎战汉骑兵，把这五千汉骑兵与大将军的营地分离开，准备一口吃下这五千汉军。此时正是傍晚，太阳将落，天也快黑了。突然刮起大风，飞沙走石，沙石打在脸上，如同刀割。都已经看不清对方，汉军又命令左右两翼紧急包抄单于。
单于看到了汉朝兵多，而且战斗力还很强，估摸继续打下去，对匈奴不利。就趁着天黑乘着六头骡子拉的车，同几百精壮骑兵，径直冲出汉军包围圈，向西北方向逃去。
这时天已经黑了，汉军与匈奴互相混战，伤亡大致相同。汉军左校尉捕到匈奴俘虏，询问单于情况。匈奴俘虏说：单于在天未黑时，就已经逃走了。
大将军派出轻骑兵，连夜追击，大将军的军队紧随其后。匈奴四处逃散，天快亮时，汉军已追出二百余里，没有追到匈奴单于。这一战俘获斩杀匈奴军士一万多人，军队到了窴颜山的赵信城，缴获了匈奴囤积粮草给养，汉军驻扎休整，补充给养，把剩余的烧毁，大将军便率军返回。
大将军卫青越过大漠与匈奴单于交战，而前将军李广和右将军赵食其的军队，从东路进军，因为迷了路，没能如期同大将军会合。大将军领兵回到大漠以南时，才遇见他们。大将军想派使者回京报告天子，便派长史根据文书所列罪状，审问李广，李广不堪受辱而自杀。
右将军赵食其被押送回京，交给廷尉审理，因迟到而贻误战机，依法当斩，后交了赎金，被贬为平民。大将军此次入塞，共斩获匈奴军士一万九千人。
骠骑将军霍去病也统率了五万骑兵，车辆辎重和大将军相同，但骠骑将军没有副将，就任命李敢等为大校担任副将，从代郡、右北平出发一千多里，进攻左贤王的军队，所斩杀匈奴的数量远远超过大将军。
大军归来时，武帝说：骠骑将军霍去病率