卫青命令部队用武刚车(铁甲兵车)迅速环绕组成一个坚固的阵地，然后前阵列出五千骑兵向敌阵冲击。匈奴则出动一万多骑兵迎战，双方鏖战之时，卫青再使冷箭，突然再派出两支生力军，从左右两翼快速穿插，迂回到单于背后，包围了单于的大营。伊稚斜单于大惊失色，匈奴军则阵脚大乱，双方惨烈大战到天黑，匈奴军战败，汉军彻底击败了匈奴。遗憾的是，此役未能捉到或打死单于，伊稚斜失败后向西逃遁。
年仅21岁的霍去病从右路一直向北，深入匈奴腹地，却没能遇上他最渴望的对手，结果却碰上了左贤王部。左贤王很倒霉的被"独孤求败"的霍去病堵住，七万多人全军覆没。接着霍去病一路追杀，追到狼居胥山时，举行(今蒙古国境内的肯特山)祭天封礼，这就是霍去病最出名的封狼居胥，之后，霍去病继续率军深入追击匈奴，一直打到翰海(今俄罗斯贝加尔湖)，屯兵观察，数北斗星倒转（大概半年时间），确认匈奴不会再来，方才回兵。
漠北之战中，还有一个插曲就是李广之死，李广本来也是一路，结果中途迷路，没能遇上敌人，卫青后来派人向李广询问情况，一直郁郁不得志的李广，生气卫青的安排，又耻于为自己的失误辩解，就这样负气自杀了，李广又死了惹出了一场家族间的世仇，弄得卫霍二个家族千百年后仍不得解脱。
从此以后，匈奴逐渐向西北迁徙，出现了"漠南无王庭"，匈奴对汉朝的军事威胁基本上解除了。
