元狩四年春天，皇上命令大将军卫青和骠骑将军霍去病各领五万骑兵，随后还有几十万步兵和转运物资的运输队，而那些敢于奋战深入的士兵都跟着骠骑将军。骠骑将军开始时要从定襄出兵，攻击单于。后来捕获的匈奴俘虏说单于向东走了，于是朝廷就改派骠骑将军从代郡出兵，派大将军卫青从定襄出兵。郎中令李广担任前将军，太仆公孙贺担任左将军，主爵赵食其担任右将军，平阳侯曹襄担任后将军，他们都归大将军调配。随即汉军越过沙漠，共有五万骑兵同骠骑将军的人马一起攻打单于。赵信为单于出谋划策道：“汉军已经越过沙漠，人马困乏，匈奴人可以坐取汉军俘虏了。”于是单于把他们的辎重全都运到遥远的北方，把精锐部队全都安排在大漠以北以等待汉军。恰逢大将军卫青的军队出塞一千多里，望见单于的军队列阵在那里等着，这时大将军下令用武刚车围成环形军营，又命令五千骑兵前去抵挡匈奴。匈奴也派了大约一万名骑兵。恰巧太阳要落山，大风刮起来了，沙石扑打在人们脸上，两军都看不见对方，汉军又分成左右两翼包抄单于的军队。单于看汉军很多，而且人马的战斗力很强，交战的话对匈奴不利。因此，傍晚时分，单于便乘上六头骡子拉的车子，率大约几百名精壮骑兵，径直冲出汉军包围，向西北方向奔去。这时天色已晚，汉军和匈奴人厮杀起来，死伤人数大概相同。汉军左校尉抓到的匈奴俘虏说，单于在天没黑的时候就已离去，于是汉军派轻骑兵连夜追击，大将军的军队跟在后面。匈奴兵四散而逃。直到天快亮的时候，汉军已追了二百余里，没有追到单于，但俘虏和斩杀敌兵一万多人，到了窴颜山赵信城，缴获匈奴积存的粮草以供给大军之用。汉军驻留一日后返回，把城中余下的粮草全部烧掉后才归来。
正当大将军卫青与单于会战时，前将军李广、右将军赵食其率领军队从东路发兵，由于迷了路，误了与单于交战的时机。直到大将军领兵回来路过大漠以南时，才遇上前将军和右将军。大将军想派使者回朝报告天子，令长史按文书中所列罪状去审问前将军李广，李广自杀了。右将军回到京城后，被交给执法官吏，他用钱赎了死罪，被贬为平民。大将军领军进入边塞，此次作战共斩获敌兵一万九千人。当时匈奴人十多天没有单于的消息，右谷蠡王就自立为单于。后来单于又找到了他的部众，右谷蠡王这才去掉了自立的单于称号。
骠骑将军也率五万骑兵，所带的军需辎重与大将军卫青的也一样，但他没有副将。他全是任用李敢等人为大校，以充当副将，从代郡、右北平发兵走了一千余里，遇到左贤王的军队，他们斩获敌兵之功已远远超过大将军。他的大军归来时，武帝说：“骠骑将军率大军出征，又亲自指挥所俘虏的匈奴士兵，携带很少的军需物资，越过了大沙漠，渡河捕获了章渠，诛杀比车耆，转而再攻击匈奴左大将，斩杀敌人，夺取军旗和战鼓，翻越离侯山。渡过弓闾河，捕获了匈奴屯头王、韩王等三人，以及将军、相国、当户、都尉等共八十三人。然后在狼居胥山祭天，于姑衍山祭地，登高远望翰海。共俘获并杀敌七万零四百四十三人，汉军大概减员十分之三，他们从敌军那里取得粮草，所以能够出征到极远的地方而粮草不绝。划定五千八百户食邑增封给骠骑将军。”右北平太守路博德归骠骑将军管，他和骠骑将军在与城会师，没有贻误军期，跟随骠骑将军去梼余山，俘获并斩杀匈奴二千七百人，划一千六百户食邑给路博德，封其为符离侯。北地都尉邢山随骠骑将军生擒匈奴王，划一千二百户食邑给邢山，封其为义阳侯。原先归顺汉朝的匈奴因淳王复陆支、楼专王伊即靬都跟随骠骑将军攻打匈奴立下战功，划一千三百户食邑给复陆支，封其为壮侯，划一千八百户食邑给伊即靬，封其为众利侯。从骠侯赵破奴、昌武侯赵安稽都随骠骑将军攻打匈奴立下功，各增封三百户食邑。校尉李敢夺下了军旗和战鼓，被封为关内侯，赐食邑二百户。校尉徐自为被赐封大庶长的爵位。另外，骠骑将军手下的官兵，封官和受赏的人很多。而大将军没能得到加封，属下的官兵也没有被封侯的。
当卫青和霍去病所率的两支大军出塞时，曾在边塞上阅兵，当时官府马匹和私家马匹共十四万匹，而当他们入塞之时，所剩战马已不足三万匹。于是朝廷就增设大司马官位，大将军和骠骑将军都担任大司马。而且朝廷制订法令，骠骑将军的官阶、俸禄和大将军相等。此后，大将军的权势日益减退，而骠骑将军的地位日益显贵。大将军的老友和门客，多半离开他去侍奉骠骑将军了，这些人都得到了官职和爵位，只有任安不肯这么做。
骠骑将军为人寡言少语，不露声色，任气敢为。皇上曾想教他孙子、吴起的兵法，他回答道：“打仗只要看谋略如何就够了，不用学习古代兵法。”皇上给他建造府第，让他去看看，他答道：“还没有消灭匈奴，无心考虑家事。”此后，武帝更加看重和喜爱他。但是，霍去病从少年时起，就在皇上身边侍奉，富贵惯了，不知道体恤士卒。他率军出征时，天子派太官送给他几十车军需品，等他回来时，运输车上丢弃着许多剩余的米和肉，而他还有忍饥挨饿的士兵。他在塞外时，士兵没有粮食吃，有的人饿得都动不了，而骠骑将军还在划球场踢球玩。诸如此类的事还有很多。大将军卫青却为人仁爱、善良、忍让，以宽和柔顺取悦于皇上，只是天下没有人称赞他。