他自己率领精兵疾进寻找匈奴主力决战，令李广、赵食其从东路迂回策应。卫青部越过大漠，行进千余里，终于寻到早已部署好的匈奴本部。卫青先以武刚车(兵车)环绕为营，稳住阵脚，随后派出5000骑兵出战。匈奴单于也派出大量骑兵与汉军混战，双方战至日落时分，突然大风骤起，飞沙走石。
看到战机的卫青乘势指挥骑兵，从两翼包围匈奴军队。单于见汉朝军队来势汹汹，兵强马壮，没有及时指挥军队反击，反而率领数百人突围逃走。主帅逃脱，匈奴军心涣散，很快也溃散而逃。卫青急派轻骑追击，自己也率主力跟进，直至追到阗颜山赵信城，共歼敌一万九千人。
