元朔五年春，武帝共發動10餘萬大軍，由衛青擔任主帥，兵分兩路，出擊漠南。
其中西路軍是擔任主攻的，分為兩隊，一隊由衛青親自統領３萬騎兵，出高闕北進；另一隊由遊擊將軍蘇建、強弩將軍李沮、騎將軍公孫賀、輕車將軍李蔡等統兵數萬，出朔方，直接進攻右賢王的王庭。
東路軍由大行令李息、岸頭侯張次公統率數萬騎兵，出右北平，進擊匈奴左賢王，牽製其兵力，以使其無法支援右賢王。
衛青的東路軍出塞後，以迅雷不及掩耳之勢，奔襲六、七百裏，乘夜悄悄包圍了右賢王的王庭（在今蒙古國南戈壁省）。
由於王庭遠離漢境，匈奴右賢王做夢都沒有想到漢軍能悄無聲息地摸上門來，因而毫無防備，王庭都已經被衛青的騎兵包圍了，右賢王還正在醉熏熏地喝酒呢。
衛青見狀，立即指揮漢軍發起突然進攻。
匈奴亂作一團，根本無法組織有效抵抗。右賢王慌忙帶著他的愛妾，領著數百精騎突圍往北逃走。
衛青急令輕騎校尉郭成等率軍追擊。右賢王逃得比兔子還快，郭成等追出了數百裏，終究沒能追上，隻得遺恨返回。
此戰，衛青軍大獲全勝，俘獲右賢王部眾男女1萬5千餘人，裨王（匈奴小王）10餘人，牲畜數十萬頭。李息、張次公統率的東路軍也完成了策應西路軍的戰略目標，並打擊了左賢王。
衛青大軍奏凱而歸，在此之前，捷報已送到了長安，因此，大軍剛回到塞內，武帝已派使者捧著大將軍印來到衛青軍中，拜衛青為大將軍，規定，諸將都歸衛青節製，並加封衛青食邑8千7百戶。
大將軍是漢廷最高武職，相當於文官最高的丞相，大將軍下麵是驃騎將軍，位次於丞相。然後依次是車騎將軍、衛將軍、左右中前後將軍，都是金印紫綬，秩位都相當於上卿。
武帝對衛青實在是讚賞到了無以複加，衛青已經封侯，有劉邦的白馬之盟在，封他為諸侯王是不可能的，於是封他三個年幼的兒子為侯，大兒子衛伉封宜春侯，二兒子衛不疑封陰安侯，三兒子衛登封發幹侯。
衛青拚命辭謝，說：“臣得以進入軍中效力，全仗陛下的神靈，這次出征大捷，全是諸校尉力戰之功。陛下已經增加了臣的食邑，臣的兒子尚在繈褓之中，未有任何功勞和苦勞，就都列地封侯，這不利於勸導士卒力戰。衛伉等三人何敢受封！”
武帝說：“我不敢忘記諸校尉之功，你兒子封侯的事，就這麼定了！”
接著，武帝下詔給禦史：“護軍都尉公孫敖，三次跟隨大將軍出擊匈奴，常接應諸軍，這次又率領一校人馬（五百人）禽獲了匈奴之王（裨王），以一千五百戶的食邑封公孫敖為合騎侯。”
隨之，又將這次跟隨衛青出征的騎將軍公孫賀、都尉韓說（韓頹當之孫，韓嫣之弟）、輕車將軍李蔡、校尉李朔、校尉趙不虞、校尉公孫戎奴全部封為列侯！
東路軍的將軍李息、將軍李沮、校尉豆如意也因戰功而都賜爵關內侯，關內侯本來是沒有食邑的，這次卻破格賜給他們三人食邑各300戶。
匈奴右賢王的慘敗令伊稚斜單於大為惱怒，同年秋天，他派出１萬餘騎兵侵入代郡，殺代郡都尉朱英，劫掠千餘人而去。
武帝大怒，次年春令大將軍衛青統率10餘萬騎兵再次出擊匈奴。
這次，武帝改變了以往臨戰臨時編組軍隊的做法，建立了中、左、右、前、後諸軍，其中，中將軍公孫敖、左將軍公孫賀、前將軍趙信、右將軍蘇建、後將軍李廣，這5將都由大將軍衛青統一指揮，並任命李沮為強弩將軍，統率弩兵部隊（強弩軍），而強弩軍也由衛青直接掌握。這樣一來就提高了諸軍協同作戰的能力，這是漢武帝對匈奴用兵以來，軍隊編組最為嚴密的一次！