刘彻本来命霍去病从定襄郡出塞，直接攻击匈奴单于，但从俘虏口中得知，单于远在东方。于是，刘彻命令霍去病从东方代郡出塞，改命卫青从定襄郡出塞。
宫廷禁卫官李广，屡次请求出征。刘彻认为他年纪已老，不准。很久之后，才勉强允许，任命李广当前将军，命交通部长公孙贺当左将军，命诸侯接待总监赵食其当右将军，都隶属全国最高统帅卫青管辖。
匈奴翕侯赵信向单于建议说：“汉军不知道利害，竟打算穿过瀚海沙漠。到时候，人困马乏，匈奴坐在板凳上，就可以俘虏他们。”于是，下令所有部落跟辎重，向北撤退，把精锐部队留在瀚海沙漠北部边缘地带埋伏。
卫青大军既出定襄郡，得到单于所在的情报，亲自率领精锐骑兵挺进。命前将军李广跟右将军赵食其合并，在右翼护卫——右翼必须向东方绕一个大圈，路远，而水草又少。李广请求说：“我的任务本是先锋，元帅却改变部署，调我到东方充当右翼。我自从十六岁少年时，便跟，匈奴作战，直到今天才有机会和单于面对，我愿仍当先锋，拼死都要生擒单于。”卫青所以如此变更部署，因刘彻暗中吩咐过，说李广年纪已老，命运乖舛，不要让他面对单于，怕劳而无功，使单于逃遁，达不到捕获的目的。而公孙敖最近失去侯爵，卫青打算让公孙敖当先锋，跟自己同时对付单于，所以才调开李广。（公孙敖是卫青的好朋友，曾救国卫青。卫青想借此使他立功，恢复爵位）李广知道内情，越发坚决地一再向卫青要求准许他仍担任先锋，卫青拒绝。李广知道无望，也不行礼，转身就走，好不掩饰他的失态和愤怒。
卫青出塞，向北挺进一千余里，才穿过瀚海沙漠，发现匈奴单于的匈奴兵团，正严阵以待。卫青命铁甲车迅速环绕成一个坚固阵地，派出五千骑兵发动攻击，匈奴出动约一万余骑兵迎战。战斗惨烈，厮杀到黄昏，突然刮起暴风，砂砾卷入半空，撞击人脸，尘土滚滚，一片黑暗，两**队互相不能分辨。卫青下令留守铁甲车阵地的大军，分别向两翼展开，用大迂回攻击匈奴兵团后卫。单于发现含汉朝军队数量竟如此之多，而人壮马肥，大为震惊，知道无法取胜，于是，跨上六匹健骡，在精锐骑兵数百人的保护突围下，像西北飞奔而去。
这时，夜幕降临，战场上汉匈战士，仍喋血战斗，喊声震天，双方死伤都差不多。汉军左翼指挥官在俘虏口中得知，单于已在天黑前逃走。立即派出轻骑兵连夜追击，卫青率领大军随后急进。沙场上正在血战的匈奴官兵，发现被单于遗弃，军心大乱，霎时瓦解，四散逃命。卫青大军乘夜挺进。天亮时，已行军二百余里，四顾苍茫，看不见匈奴兵团踪影，但斩杀及俘虏匈奴平民一万九千人，遂进抵卢山赵信城。夺取匈奴汗国积存的粮秣，供应自己的军队，停留一天，放火烧城，房舍和残存的粮秣完全化成焦土，然后班师。
前将军李广跟右将军赵食其率军前进，没有向导，在瀚海沙漠中迷路，一直追不上卫青，因此也没有赶上与匈奴单于的大会战。卫青班师途中，到了瀚海沙漠南部，才跟二人取得联络。卫青派秘书长责问二人失期的原因，命李广的幕僚马上到统帅部听候审讯。李广说：“我