小戰之後，衛青便率軍返回定襄休整。劉徹聽說衛青沒有繼續尋找匈奴主力決戰，認為衛青是害怕戰敗才返回休整，心中有氣，便給衛青下了一道命令，說休整可以，但休整的目的，是為了找伊稚斜單於主力進行決戰，命令衛青休整完之後，必須立即出兵尋找戰機。
衛青接到命令後，似乎意識到了劉徹的不滿，稍事休整後，便率漢軍第二次出定襄。這次出擊雖然找到了匈奴主力，但衛青的運氣不太好，出定襄數百裏後，衛青便與大股匈奴軍發生激戰。戰鬥中，伊稚斜單於的主力與左賢王的軍隊先後趕來增援，漢軍奮勇殺敵，殲敵萬餘人，但自身的損失也相當慘重。
此次隨同衛青出征的，除了李廣、公孫敖等六將，還有一個初出茅廬的少年，這個少年名叫霍去病，官封驃姚校尉，年方十八歲，是劉徹的高足、衛青的外甥。
霍去病在劉徹的親手調教下早已練兵數年，此次是第一次出擊匈奴。對於躍躍欲試的霍去病而言，第一次打仗，無疑是一件激動人心的事。
衛青率軍出定襄後，霍去病便再三請戰，衛青經不住霍去病的軟磨硬泡，便準許霍去病出去抓幾個舌頭回來，囑咐不許走遠。
霍去病一出大帳，便將舅舅衛青的話扔到了九霄雲外，率著麾下八百騎長驅直入亂打一通，深入匈奴腹地數百裏，殺伊稚斜單於大行父藉若侯產，俘單於叔父羅姑及匈奴相國、當戶等高官，斬首匈奴兩千零二十八個。
霍去病一戰驚人，消息傳到長安，劉徹心中十分滿意，認為霍去病堪為軍鋒之冠，便賜食邑二千五百戶，封為冠軍侯。
此戰衛青雖然獲勝，但前將軍趙信卻投降了匈奴。趙信原本是匈奴小王，後來衛青訓練騎兵，因趙信是匈奴人，便推薦給劉徹，劉徹封其為翕侯，讓其教授漢軍兵馬騎射之術。當時衛青率軍出定襄後，前將軍趙信和右將軍蘇建的三千騎兵與伊稚斜單於主力相遇，激戰一日，漢軍傷亡殆盡。趙信見漢軍不敵，便投降了匈奴。
趙信以匈奴小王的身份先投降漢朝，後又複歸匈奴，由於他在漢朝的時候頗受劉徹重視，被派去教練騎兵，因此對漢朝的情況還是比較了解的。趙信重歸匈奴後，伊稚斜單於大喜過望，認為趙信的歸來，能讓匈奴人了解許多漢朝軍隊內部的事情，除此之外，伊稚斜還認為趙信既然教練過漢朝騎兵，那也一定知道對付漢朝軍隊的辦法。自從馬邑之圍打響漢匈關係的轉折戰後，伊稚斜單於便意識到了一個問題，那就是最近幾年漢朝軍隊的戰鬥力急遽提升，到目前幾乎和匈奴騎兵不相上下，而匈奴人原來具有的騎兵優勢，在龍城大捷後便開始喪失，到現在更是不複存在了。伊稚斜心中如此想著，便十分重視趙信的回歸，不但將權威僅次於單於之位的匈奴自次王一職授予趙信，更是將自己的姐姐嫁給趙信，以此來和趙信結成一條心。
趙信投降匈奴後，見伊稚斜如此器重他，心中自然也很歡喜，思索一番後，便向伊稚斜提了一個建議，這個建議最關鍵的意思有四個字，就是戰略轉移。為什麼要戰略轉移呢？趙信是這麼考慮的，他認為漠南之戰後漢匈雙方的實力對比，已經是漢朝強而匈奴弱了。要想反敗為勝，必須先保存實力，而保存實力的方式，就是戰略轉移。對於戰略轉移，趙信是這麼給伊稚斜解釋的，他說我們現在實力不強，經受不住漢軍的第二次打擊，不如暫時遷往漠北，誘敵深入，等漢軍疲憊之時，再尋找機會消滅漢軍。如果不走，一旦被包圍，那情況就危險了，全軍覆沒都是有可能的。
趙信這番話說得還是比較在理的，當時的情形也差不多就是這樣。伊稚斜當然明白這點，便接受了趙信的建議，果然將單於主力遷去了漠北。
漠南之戰就這樣結束，漢軍以殲滅匈奴右賢王、擊敗伊稚斜單於主力並迫其遠遁漠北的勝利而告終，河南之戰勝利的果實因此得到鞏固。而尤其具有戰略意義的是，經此一戰後，漢軍聲威大震，從此真正取得了戰爭的主動權。