汉武帝与诸将商议，决定利用赵信的错误判断，制定一个集中兵力，深入漠北，寻歼匈奴主力的作战方针。元狩四年（公元前119年），汉武帝调集卫青和骠骑将军霍去病各自率领五万骑兵，兵分东西两路向漠北进发，寻找歼灭匈奴的时机。同时组织步兵数十万，以及数以万计的马匹来保障作战的成功。
得知汉军出击的消息后，匈奴单于转移辎重，将大军布置在漠北边缘，等待汉军到来，试图以逸待劳击败汉军。卫青率领前将军李广、校尉公孙敖、右将军赵食其、后将军曹襄等出塞后，获悉匈奴单于已经远去，因此决定分兵合围。
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。
