大将军卫青出塞后，从俘虏口中获知单于所在，便亲率精兵进击，同时命前将军李广和右将军赵食其合兵由东路进击。因为东路绕远且水草少，李广主动请求说：“我的部队是前军，而今大将军却命我由东路进军。我自少年时就开始与匈奴作战，今天才有机会正面对付单于，我愿作前锋，先与单于死战。”卫青曾受汉武帝暗中告诫：“李广年纪已老，运气又不好，不要让他与单于正面作战，恐怕他完不成任务。”而公孙敖不久前失去侯爵，卫青也想让他与自己一道正面与单于作战，所以将李广调到东路。李广知道后，坚决向卫青推辞不要东路，卫青没答应。李广没向卫青辞别就出发了，心中十分恼怒。
卫青率大军出塞一千余里，横穿大漠，见匈奴单于的军队正列阵以待，便下令将兵车环绕一周结成营阵，派出五千骑兵攻击匈奴，匈奴派约一万骑兵迎战。太阳将要落时，突然刮起大风，顿时天昏地暗，两军士卒相互不能分清。卫青增派部队从左右两翼包抄单于。单于见汉军人多，兵马仍然很强，估计自己敌不过汉军，便乘坐六匹骡子拉的车，率数百名精壮骑兵，冲过汉军防线，向西北方向逃去。这时天已黑了，汉军与匈奴军仍在激烈搏杀，伤亡相当。汉军左翼校尉从抓到的俘虏那里得知，单于已于天未黑时逃走，即报告了卫青。卫青于是派轻骑兵连夜追击，自己率大军随后进发，匈奴兵也四散逃走。将近天明时，汉军已追出二百余里，没有抓到单于，但擒获和斩杀匈奴一万九千余人，并夺取了窴颜山赵信城，以匈奴存粮补充粮草。停留一日后，将赵信城和剩余的粮划草全部烧光，然后班师。
前将军李广与右将军赵食其率领的东路军因为没有向导，在沙漠中迷了路，落到了卫青的后面，没能赶上与单于的战斗。卫青率军班师，在大漠南边遇到李、赵二位将军。卫青派长史责问二人迷路的情况，并命李广即刻到大将军处说明。李广说：“校尉们没有罪，是我自己迷了路，我现在自己到大将军处听候处理。”李广对他的部下说：“我从少年时开始与匈奴七十余战，这次有幸与大将军直接与匈奴作战，而大将军却将我部调到东路，路途本就绕远，又迷失了道路，难道这不是天意吗？！况且我六十多岁了，无论如何也都不能再去面对那些刀笔小吏！”于是拔刀自刎。李广为人方正，得到赏赐就分给部下，与士卒一起用餐，二千石级别的官做了四十多年，家中却没有多余的财产。李广的手臂像猿臂一样，长而灵活，擅长射箭，射不中目标便不发箭。李广领兵，在困境中找到水，士卒没有都喝过，李广不喝，士卒没有都吃过，李广不吃，因此士卒都乐意跟着他。及至李广自刎，全军大哭。百姓听到李广的死讯，无论认识他的不认识他的，无论年老还是年轻，都为他流泪。右将军赵食其被调查处理，其罪当死，赎身后成为平民。
匈奴单于逃走后，很多匈奴人混杂在汉军中一同前进，单于长时间不得同他的部众会合。右谷蠡王以为单于已死，便自立为单于。十几天后，真单于重新与其部众会合，右谷蠡王才去掉单于称号。
票骑将军霍去病率领的骑兵、战车和辎重都与大将军卫青一样，但没有副将，于是任用李敢等人为大校，充当副将，从代郡、右北平郡出塞二千余里，穿越大漠，与匈奴左路军遭遇，擒获匈奴屯头王、韩王等三人，以及将军、相国、当户、都尉等八十三人，共俘获匈奴七万零四百四十三人。之后，霍去病在狼居胥山祭天，在姑衍山祭地，又登上翰海旁边的山峰望北海。汉武帝增加霍去病食邑五千八百户，又封其部将右北平太守路博德等四人为列侯，从票侯赵破奴等二人也获增食邑，封校尉李敢为关内侯，赐食邑。低级军官和兵卒升官、受赏的人很多。大将卫青没有再获增食邑，部下军吏士兵全都没有被封侯的。
卫青与霍去病出塞时，官马私马加起来共十四万匹，至班师重新入塞时，剩下不到三万匹。
于是，汉武帝增设大司马一职，卫青、霍去病都被任命为大司马，又下令霍去病的官级和俸禄与卫青一样。从此以后，卫青的权势日渐衰落，而霍去病日益尊贵。卫青以往的朋友和门客很多改投霍去病门下，很快得到了官职、爵位，只有任安不肯这样做。
霍去病为人寡言沉稳，有勇气，敢于任事，汉武帝曾想教他学习孙武、吴起兵法，他说：“作战只看谋略如何而已，不必拘泥于古代兵法。”汉武帝为霍去病修建府第，让他前往观看，他说：“匈奴未灭，无以家为也！”匈奴还没有消灭，要家干什么！汉武帝因此更加器重他。但是，霍去病少年显贵，对部下不太关心。霍去病率军出征时，汉武帝派负责宫廷膳食的太官给他送来几十辆车的食物，班师时，车上仍然装满未吃完的粮食和肉，而士兵却有饿肚子的。霍去病在塞外时，士兵因为缺粮士气不振，而霍去病却修建场地玩蹋鞠，——即像现在踢球一样的运动。这样的事还有很多。而卫青则为人仁和，尊重士子，谦虚退让，以温顺柔和博取汉武帝的喜爱。两人的志趣节操就是如此不同。
至此时，汉朝消灭匈奴八九万人，汉军也损失数万。此后，匈奴迁往很远的地方，大漠以南再没有匈奴的王庭了。汉军渡过黄河，从朔方以西到令居县，处处开通河渠，设置田官，派士卒五六万人屯垦，逐渐蚕食到匈奴旧地以北。但是，因为缺少马匹，也不能够再大举出击匈奴了。
唐朝诗人王勃在《秋日登洪府滕王阁饯别序》中记曰:
嗟乎！时运不齐，命途多舛。冯唐易老，李广难封。屈贾谊于长沙，非无圣主；窜梁鸿于海曲，岂乏明时？所赖君子见机，达人知命。老当益壮，宁移白首之心？穷且益坚，不坠青云之志。酌贪泉而觉爽，处涸辙以犹欢。北海虽赊，扶摇可接；东隅已逝，桑榆非晚。孟尝高洁，空余报国之情；阮籍猖狂，岂效穷途之哭！
宋朝词人辛弃疾在《永遇乐·京口北固亭怀古》中记曰：
千古江山，英雄无觅，孙仲谋处。舞榭歌台，风流总被雨打风吹去。斜阳草树，寻常巷陌，人道寄奴曾住。想当年，金戈铁马，气吞万里如虎。
元嘉草草，封狼居胥，赢得仓皇北顾。四十三年，望中犹记，烽火扬州路。可堪回首，佛狸祠下，一片神鸦社鼓。凭谁问，廉颇老矣，尚能饭否？
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