元朔六年（前123）漠南之战后，匈奴伊稚斜单于听从赵信的建议远撤漠北，这原本是一次战略撤退，目的是诱敌深入，等汉军越过大漠人困马乏之时，匈奴兵再以逸待劳而击之。但让伊稚斜始料不及的是，刘彻趁其迁往漠北的机会，却一鼓作气收复了河西。河西的丢失让伊稚斜十分恼怒，元狩三年（前120），伊稚斜派数万骑侵入定襄、右北平两郡，杀掠千人后迅速撤去，企图激怒刘彻，诱使其进军漠北，然后聚而歼之。
伊稚斜虽然嚣张跋扈，但刘彻这次却没有动怒，他知道伊稚斜单于的战略企图，也知道跨越大漠作战的难处。但刘彻毕竟是一个好战的帝王，他象征性地与大臣们讨论了一番后，最终决定集中兵力深入漠北，与伊稚斜进行最后的决胜之战。出兵之前，为了筹措军费准备钱粮，刘彻先在国内进行了一系列改革，其中最重要的两项，就是改革币制，以及将盐铁专卖的权力收归朝廷。
元狩四年（前119），刘彻调集十万骑兵分别由卫青、霍去病统领，分东西两路进击漠北。此次出征，负责运送后勤的战马有四万匹之多，步兵辎重几十万人，汉军的后勤保障可谓规模空前。
刘彻此次的部署，原本是让卫青率麾下李广、公孙贺、公孙敖等人从代郡出发打击左贤王部，而霍去病从定襄出发，寻歼伊稚斜单于主力。由于霍去病擅长随机应变的特种作战方法，刘彻便没给他配副将。从刘彻的部署可以看出，他想将歼灭匈奴单于主力的不世之功留给霍去病去完成，他对霍去病的偏爱和信任，由此可见一斑。
但汉军出发后不久，刘彻便得到探子带来的情报，说伊稚斜单于的主力已经东移。在这种情况下，刘彻便临时变更部署，把卫青和霍去病的出发地点调换了一下，改由卫青从定襄出发，而霍去病从代郡出发。
但卫青出定襄北行千里之后，没有找到左贤王部，却意外得知伊稚斜单于主力的所在位置。刘彻虽然有令在先，但卫青毕竟是一员老将，知道战机稍纵即逝的道理，于是当机立断让前将军李广和右将军赵食其合兵一处，由东路进军袭击伊稚斜单于主力的左侧背，他自己则率中军从正面迎敌。
卫青军团大张旗鼓地进军，估计伊稚斜单于早就听到了消息，于是两军相遇，一场激烈的厮杀立刻便爆发开来。
按理说汉军远来疲惫，得胜的应该是伊稚斜单于一方。但历史经常会出乎人的意料之外，与匈奴打了许多年仗的老将卫青，在匈奴以逸待劳的情况下，这时候创造性地运用了一种新战术，这种战术，就是车骑协同。什么是车骑协同呢？卫青见伊稚斜陈兵而立，当下便明白了缘由，但他却不动声色，先是命令部下以武刚车自环为营，防止匈奴骑兵的进攻，然后以五千骑兵迎战匈奴。如此一攻一守，先是立于不败之地，然后寻找可胜之机，卫青卓越的军事才能，由此可见一斑。
这场厮杀是双方以硬碰硬的方式进行的，激战一日后，虽然杀得惨烈，但却胜负未分。打了这么长时间竟然毫无结果，这时候卫青就有些恼怒了，也不知道什么原因，他派往右路袭击伊稚斜左侧背的李广和赵食其竟然到这时候还不见踪影。无奈之下，卫青只好险中求胜，趁着黄昏风起，将主力部队一分为三，他自己仍在中军，其余两部则分从左右两侧迂回包抄，袭击伊稚斜单于左右两侧。
这时候就轮到伊稚斜单于恼怒了，他选好地形以逸待劳在这里等了大半天，没想到最后却被疲惫的汉军给包围了，这让他如何能够接受。
伊稚斜单于虽然无法接受被围的现实，但现实毕竟是现实，历史和战争都是客观的，尤其是现在。又杀了一阵，匈奴兵见四面八方都是汉军，心中惊惧起来，战意渐渐消退，不得不弃械投降。伊稚斜见大势已去，只好率数百亲信杀出重围，趁着夜色掩护向西北方向逃去。
伊稚斜单于逃了，对于卫青来说，这次战役就算是胜了。于是卫青一边命人收拾残局，一边亲率主力追击伊稚斜单于。对于卫青而言，这个夜晚既短暂又漫长。之所以短暂，是因为他追击伊稚斜，一眨眼的工夫天就亮了。而之所以漫长，是因为他追了好几百里，竟然连伊稚斜的影子都没看见，因此他有些郁闷。
卫青一言不发继续向北挺进，趁胜攻下颜山赵信城，缴获了匈奴留下的大量粮食辎重后，休整一日，放火烧毁城内未能运走的余粮物资等，然后便回师南下。到达漠南之后，卫青与李广、赵食其相遇。相遇之后，有一件大事就发生了，这件大事，就是历史上让人心酸掉泪的飞将军李广之死。
卫青与李广、赵食其相遇后便开口说话了，说我派你们去右路袭击伊稚斜的左侧背，但等到天黑也不见你们出现，这到底是什么原因？由于没有追到伊稚斜，卫青这时候的心情是不大好的，说话的语气估计也就不怎么客气。
原来李广与赵食其出发后，因为没有向导，在陌生的北大漠便迷路了。这一迷路，就错过了与伊稚斜单于主力的大决战。李广出征前原本向刘彻请求过，之所以担任前将军，就是想面对面和匈奴单于的主力痛快地厮杀一番。他是汉朝老将了，少年时期便从军入伍，与匈奴大小七十余战。这时候见卫青问原因，他气愤大战之前卫青将他调开，而迷路又让他羞愧，两种心情夹杂在一起，便觉得老天对他不公平，既然活着没意思，还不如死了算了。想到这里，李广也不犹豫，愤然拔剑，结束了性命。
一代名将飞将军，就这样陨落了。漠北之战卫青虽然取得了胜利，但李广死于非命，却让胜利在生命面前黯然失色。
霍去病率军出代郡后，由于刘彻并没有给他配备副将，所以一切决定都是他一个人说了算。他率麾下经过特别挑选的五万精骑一路长驱直入，穿过离侯山，渡过弓闾河，北进两千余里，虽然没找到伊稚斜单于的主力，却鬼使神差地与左贤王部相遇。
自从元光二年马邑之围以来，与汉军作战的匈奴主力主要是匈奴单于本部以及白羊王、楼烦王、休屠王、浑邪王、右贤王等部，至于左贤王部，以前虽也有过接触，但并没有面对面决战过。
霍去病最擅长的是长途奔袭闪电战，也就是特种作战，偏向于偷袭的那种。霍去病虽然擅长特种作战，但这并不意味着他缺乏正规作战的能力，当年收复河西时，他曾在皋兰山下与匈奴卢侯、折兰二王相遇，那场战役，便是从正面以硬碰硬的方式进行的。这次与匈奴左贤王的邂逅，也是如此。
左贤王部由于偏居漠北，这些年没怎么和汉军交战，实力保存得比较完整，人数也远远比霍去病的五万人要多。虽然是以寡敌众，但霍去病却丝毫没有胆怯之意，他这次是有备而来，麾下五万精兵俱都经过严格挑选，虽说一个顶不了三个，但顶两个还是差不多的。
霍去病打仗与卫青不同，卫青喜欢拉开架势先排兵布阵一番，然后再真刀真枪地干。而霍去病不同，霍去病的打法既简单又直接，如果敌人没发现，那他就偷袭；如果发现了，那没办法，偷袭用不了，就只能拼力气了。怎么个拼法呢？很简单，直接冲上去，用大无畏的精神，以最蛮横的方式打倒对方。所以，这次的漠北决战，霍去病用的就是最蛮横的方式。
霍去病虽然蛮狠，毕竟左贤王部的人数比他多许多。双方人马碰撞在一起，毫不含糊就杀了个天昏地暗。霍去病用最蛮横的方式打仗，这过程就简单地不用说了，只有一点需要说明：这一战的惨烈程度比之当年的皋兰山一战绝对有过之而无不及。
战斗结束后，霍去病一部杀敌七万余，左贤王战死，俘获匈奴屯头王、韩王，以及将军、相国、当户、都尉等共计八十余人。
左贤王死后，霍去病趁胜追击，来到狼居胥山。略作休整之后，霍去病祭天封礼，以示消灭匈奴的决心。封礼完毕，便又跨上战马，一路向西追击，如摧枯拉朽一般连战连捷，一直打到了瀚海，也就是今天的俄罗斯贝加尔湖，方才凯旋而归。
卫青和霍去病的漠北之战，就这样以汉朝的完胜而结束，有汉以来强大的匈奴，终于远遁漠北，从此漠南无王庭。
而作为此战的主将，卫青虽然因逼死李广而英明有损，但年仅二十二的霍去病，却从此战功彪炳。漠北之战汉朝总共消灭匈奴两大集团主力部队九万余人，其中霍去病七万余，卫青一万九千余。
霍去病班师后，刘彻十分高兴，加封霍去病食邑五千八百户，霍去病的许多麾下也都封了侯，这其中便包括从骠侯赵破奴和关内侯李敢二人。
对于卫青，刘彻却没有加封，这其中的原因，除了斩获不及霍去病多，也许还有皇后卫子夫失宠的原因。