兩大集團軍渡過大漠方才發現，衛部和霍部捕捉的目標，與預期的正好相反：衛青遇到的是匈奴伊稚斜單於的主力，霍去病遇到的卻是左賢王的主力。再作變更是不可能的，隻能麵對現實，沉著冷靜，運用智謀，殲滅敵人。衛青部深入漠北已經1000多裏。
伊稚斜聽從趙信的計策，將王庭遷至更遠的北方，親率主力以逸待勞，專候漢軍。衛青偵察到這一情況，命李廣前軍和趙食其右軍合兵東行，限期會合，進攻伊稚斜的側翼；自己則率領中軍向北挺進，進攻伊稚斜的正麵。李廣很不樂意，說：“我為前將軍，大將軍為何命我繞道東行？況且，我自結發時就與匈奴作戰，威震敵膽。我願自領一軍，獨戰匈奴，拚著一死，也要砍下單於的頭顱！”衛青記著武帝的叮囑，不敢造次，堅持命李廣和趙食其合兵東行。李廣一臉傲氣，他嫌衛青過於老成，居然不打招呼，扭頭而去。這位“飛將軍”自以為能，勉強和趙食其合兵，然而在行軍中卻『迷』失了方向，沒有按期到達會合地點。這樣，衛青隻能孤軍作戰，陡然增加了意外的風險。衛青審時度勢，鎮定自若。他命部下用武剛車圍成圓形的堅固營壘，將精銳騎兵隱藏起來，偃息旗鼓。然後派出5000名騎兵，向伊稚斜發動進攻。伊稚斜看了看漢軍的陣勢，驕傲地一笑，以為漢軍能夠投入戰鬥的僅僅5000人而已，營壘中必是一些疲憊的傷員和輜重。他很得意，立刻親率萬名騎兵衝殺過來。
雙方展開惡戰。沒有人退縮，因為退縮就意味著死亡。金鼓齊鳴，人吼馬嘶，刀光劍影，血肉橫飛，5000漢軍死死纏住一萬匈奴軍，誰也沒占上風。雙方直戰到黃昏時分，天氣突變，大風驟起，黃沙撲麵，天昏地暗，兩軍對陣，隻聞其聲，不見其人。衛青抓住這一時機，一聲令下，武剛車圓陣敞開，隱藏在營壘內的鐵騎呼嘯而出，就像黑『色』旋風，分成兩股，從左右兩側包抄敵人。頓時，殺聲震天，蹄聲撼地，戰場上鋪天蓋地，全是大漢的戰馬，大漢的士兵。鐵騎所到之處，匈奴軍人仰馬翻，呼爹喚娘，死傷一片。伊稚斜單於驚呼：“上當了！上當了！”關鍵時刻，他丟棄了他的部下，慌忙撥轉馬頭，由數百名親隨護衛，趁著蒼茫暮『色』，奮力突圍，落荒而逃。
戰鬥仍在繼續。深夜，衛青從捕獲的俘虜口中知道，伊稚斜已經逃往西北方向。衛青立即派出一支輕騎兵，連夜追擊。輕騎兵追擊200多裏，不見伊稚斜蹤跡，這才停止下來。這場大戰，衛青雖然沒有捉住匈奴單於，但基本上殲滅了伊稚斜的主力，共殺死和俘虜匈奴軍19000餘人。戰後，衛青統領漢軍，進抵寘顏山，入住趙信城。趙信城裏有匈奴軍的大量屯糧。衛青在那裏獲得補給，停留一日，隨後班師。班師時，放火燒毀了趙信城。當衛青激戰匈奴單於的時候，霍去病的騎兵也已深入漠北2000餘裏，遭遇匈奴左賢王的主力，發起了猛烈的攻擊。左賢王生『性』狡猾，善於保存實力，所以部下兵馬多達七八萬人。他乍見漢軍，特別是見漢軍高舉著的鬥大“霍”字帥旗時，簡直不敢相信自己的眼睛，驚慌地說：“他……他們是從地底下鑽出來的不成？”他久聞霍去病的威名，不敢和漢軍正麵交鋒，隻顧自己逃跑。霍去病指揮五萬精銳，突入敵陣，勢如狂飆，砍瓜切菜似的，一場好殺。共殺死和俘擄匈奴軍七萬餘人，擊斃北車耆王，抓捕葷允王、屯頭王、韓王，以及將軍、相國、當戶、都尉83人。霍去病乘勢追擊左賢王。大軍一直到達狼居山。在該山的主峰上，霍去病積土為壇，舉行了祭天儀式。隨後又在附近的姑衍山，舉行了祭地儀式。大軍繼續北進，搜捕殘敵，登臨翰海，回師凱旋。漠北之戰，是漢朝和匈奴之間規模最大的一場決戰。這場決戰，使匈奴遭到了毀滅『性』的打擊，完全喪失了元氣，一時再無力量振兵南侵。漢朝方麵也付出了沉重的代價，士兵死了一萬多人，戰馬損失十餘萬匹。匈奴單於為了休養生息，隻得將王庭遷移到更遠的北方。從此，漠南無王庭，漢朝邊境出現了十餘年和平、安定的局麵。