元朔六年（前123）漠南之戰後，匈奴伊稚斜單於聽從趙信的建議遠撤漠北，這原本是一次戰略撤退，目的是誘敵深入，等漢軍越過大漠人困馬乏之時，匈奴兵再以逸待勞而擊之。但讓伊稚斜始料不及的是，劉徹趁其遷往漠北的機會，卻一鼓作氣收複了河西。河西的丟失讓伊稚斜十分惱怒，元狩三年（前120），伊稚斜派數萬騎侵入定襄、右北平兩郡，殺掠千人後迅速撤去，企圖激怒劉徹，誘使其進軍漠北，然後聚而殲之。
伊稚斜雖然囂張跋扈，但劉徹這次卻沒有動怒，他知道伊稚斜單於的戰略企圖，也知道跨越大漠作戰的難處。但劉徹畢竟是一個好戰的帝王，他象征性地與大臣們討論了一番後，最終決定集中兵力深入漠北，與伊稚斜進行最後的決勝之戰。出兵之前，為了籌措軍費準備錢糧，劉徹先在國內進行了一係列改革，其中最重要的兩項，就是改革幣製，以及將鹽鐵專賣的權力收歸朝廷。
元狩四年（前119），劉徹調集十萬騎兵分別由衛青、霍去病統領，分東西兩路進擊漠北。此次出征，負責運送後勤的戰馬有四萬匹之多，步兵輜重幾十萬人，漢軍的後勤保障可謂規模空前。
劉徹此次的部署，原本是讓衛青率麾下李廣、公孫賀、公孫敖等人從代郡出發打擊左賢王部，而霍去病從定襄出發，尋殲伊稚斜單於主力。由於霍去病擅長隨機應變的特種作戰方法，劉徹便沒給他配副將。從劉徹的部署可以看出，他想將殲滅匈奴單於主力的不世之功留給霍去病去完成，他對霍去病的偏愛和信任，由此可見一斑。
但漢軍出發後不久，劉徹便得到探子帶來的情報，說伊稚斜單於的主力已經東移。在這種情況下，劉徹便臨時變更部署，把衛青和霍去病的出發地點調換了一下，改由衛青從定襄出發，而霍去病從代郡出發。
但衛青出定襄北行千裏之後，沒有找到左賢王部，卻意外得知伊稚斜單於主力的所在位置。劉徹雖然有令在先，但衛青畢竟是一員老將，知道戰機稍縱即逝的道理，於是當機立斷讓前將軍李廣和右將軍趙食其合兵一處，由東路進軍襲擊伊稚斜單於主力的左側背，他自己則率中軍從正麵迎敵。
衛青軍團大張旗鼓地進軍，估計伊稚斜單於早就聽到了消息，於是兩軍相遇，一場激烈的廝殺立刻便爆發開來。
按理說漢軍遠來疲憊，得勝的應該是伊稚斜單於一方。但曆史經常會出乎人的意料之外，與匈奴打了許多年仗的老將衛青，在匈奴以逸待勞的情況下，這時候創造性地運用了一種新戰術，這種戰術，就是車騎協同。什麼是車騎協同呢？衛青見伊稚斜陳兵而立，當下便明白了緣由，但他卻不動聲色，先是命令部下以武剛車自環為營，防止匈奴騎兵的進攻，然後以五千騎兵迎戰匈奴。如此一攻一守，先是立於不敗之地，然後尋找可勝之機，衛青卓越的軍事才能，由此可見一斑。
這場廝殺是雙方以硬碰硬的方式進行的，激戰一日後，雖然殺得慘烈，但卻勝負未分。打了這麼長時間竟然毫無結果，這時候衛青就有些惱怒了，也不知道什麼原因，他派往右路襲擊伊稚斜左側背的李廣和趙食其竟然到這時候還不見蹤影。無奈之下，衛青隻好險中求勝，趁著黃昏風起，將主力部隊一分為三，他自己仍在中軍，其餘兩部則分從左右兩側迂回包抄，襲擊伊稚斜單於左右兩側。
這時候就輪到伊稚斜單於惱怒了，他選好地形以逸待勞在這裏等了大半天，沒想到最後卻被疲憊的漢軍給包圍了，這讓他如何能夠接受。
伊稚斜單於雖然無法接受被圍的現實，但現實畢竟是現實，曆史和戰爭都是客觀的，尤其是現在。又殺了一陣，匈奴兵見四麵八方都是漢軍，心中驚懼起來，戰意漸漸消退，不得不棄械投降。伊稚斜見大勢已去，隻好率數百親信殺出重圍，趁著夜色掩護向西北方向逃去。
伊稚斜單於逃了，對於衛青來說，這次戰役就算是勝了。於是衛青一邊命人收拾殘局，一邊親率主力追擊伊稚斜單於。對於衛青而言，這個夜晚既短暫又漫長。之所以短暫，是因為他追擊伊稚斜，一眨眼的工夫天就亮了。而之所以漫長，是因為他追了好幾百裏，竟然連伊稚斜的影子都沒看見，因此他有些鬱悶。
衛青一言不發繼續向北挺進，趁勝攻下顏山趙信城，繳獲了匈奴留下的大量糧食輜重後，休整一日，放火燒毀城內未能運走的餘糧物資等，然後便回師南下。到達漠南之後，衛青與李廣、趙食其相遇。相遇之後，有一件大事就發生了，這件大事，就是曆史上讓人心酸掉淚的飛將軍李廣之死。