元狩四年春，為了徹底擊潰匈奴主力，漢武帝集中全國的財力、物力，準備發動對匈奴的第三次大戰役。漢武帝以十四萬匹戰馬及五十萬步卒作為後勤補給兵團，授與衛青與霍去病各率領五萬騎兵，兵分兩路，跨漠長征出擊匈奴。
漢武帝原計劃是以衛青和霍去病兩路主帥，各自從代郡和定襄出發，自尋戰機，務必擊潰匈奴主力。可想了幾日還是改變主意發了密詔由霍去病先選精兵來攻擊單於主力，衛青打擊左賢王。可能在漢武帝的心中，霍去病定會遇到單於主力的吧。
全軍浩浩蕩蕩，快馬加鞭趕到邊境。稍作休整時前鋒營從俘獲的匈奴兵口中得知匈奴單於伊稚斜在東方，衛青和霍去病商量一番之後，由於霍去病的兵士皆屬能深入力戰的勇武之士，兩軍最終決定對調出塞線路，霍去病東出代郡，衛青西出定襄。
衛青大軍出塞一千多裏的時候，卻與以逸待勞的匈奴單於主力遭遇了。
衛青麾下，李廣為前將軍，公孫賀為左將軍，趙食其為右將軍，曹襄為後將軍。因漢武帝私諭衛青道李廣年紀已高、運氣又不好，不能用他當前鋒抵擋單於。大將軍讓李廣與趙食其兩軍合並，從右翼進行包抄。衛青自率左將軍公孫賀、後將軍曹襄從正麵對抗單於主力。但李廣、趙食其部卻因迷路失期，始終未趕來支援。
麵對以弱對強、少對多的逆境，衛青命部隊用鐵甲兵車迅速環結成陣，而後派5000騎兵配合軍陣向敵陣衝鋒。匈奴單於則出動一萬多騎兵迎戰。雙方僵持不下，廝殺聲遍野。
激戰到黃昏時，刮起暴風，塵土滾滾，沙礫撲麵，兩方軍隊互相不能見。衛青抓住戰機，派出兩支生力軍，從左右兩翼迂回到單於背後，包圍了單於的大營。
匈奴單於伊稚斜見勢不妙，乘快馬與數百隨從突圍逃跑，群龍無首的匈奴軍也隨之潰散逃命。
殘陽如血，橫屍遍野，勝的如此慘烈，敗的如此悲壯！
天亮時，漢軍掩殺陣斬萬餘人，追襲二百餘裏，一直前進到真顏山趙信城（今蒙古烏蘭巴托市西），獲得了匈奴屯積的糧草，補給整編一日後將其徹底燒毀，勝利班師。在大軍回師的路上，才碰到迷路失期的李廣、趙食其部。
霍去病率軍北進兩千多裏，越過離侯山，渡過弓閭河，與匈奴左賢王部接戰，殲敵70400人，俘虜匈奴屯頭王、韓王等3人及將軍、相國、當戶、都尉等83人，乘勝追殺至狼居胥山（今蒙古境內），在狼居胥山（今蒙古肯特山）舉行了祭天封禮，在姑衍山（今蒙古肯特山以北）舉行了祭地禪禮，兵鋒一直逼至瀚海（沙漠別稱或曰即今俄羅斯貝加爾湖）。