漢軍本來的部署是：霍去病部出定襄，尋擊伊稚斜單于；衛青部出代郡，尋擊匈奴左賢王。后來從一匈奴俘虜的口中得知，伊稚斜單于在東方。于是武帝急令兩軍對調路線：霍去病部東出代郡，衛青部西出定襄。霍去病部無裨將，便把右北平太守路博德、李廣之子大校李敢等人當裨將使用。衛青部的宿將比較多，其名字與職位分別為：郎中令李廣為前將軍，太仆公孫賀為左將軍，公孫敖為中將軍，主爵都尉趙食其為右將軍，曹參后裔平陽侯曹襄為后將軍。
匈奴探子偵知漢軍的行動后，飛報伊稚斜單于。趙信為單于謀道：“漢軍即使越過了沙漠，也必定人馬疲憊。屆時我軍以逸待勞，擊敗敵人，當不費吹灰之力。”于是伊稚斜單于令人將輜重遠輸至北邊，全部精兵聚于漠北，休整養神，以等待漢軍的到來；與此同時，匈奴人將病死的牛、馬、羊等牲口埋在漢軍必經之地的水源中，祭祀詛咒漢軍，希冀產生瘟疫，以困殺對手。
衛青部出塞一千余里后，捕捉得一個匈奴俘虜，從其口中得知了伊稚斜單于的準確位置。衛青大喜，剛想發布作戰命令，卻不免猶豫起來。原來前將軍李廣本應為先鋒的。然而，出征之前，武帝認為他的年紀太老，本不允許他出戰的，后來經不住李廣的一再請求，才同意他出任前將軍。但武帝私下里又認為李廣命運不佳，便暗中警告衛青，不要讓他與單于正面對陣，以免耽擱捕獲單于的大計。
權衡片刻，衛青心想：“若令李廣為前鋒，如圣上所愿那便罷了，若不能捉得單于，以圣上的個性，那么，我必有用人失察之責，李廣則輕有牢獄之災，重則……”衛青不敢再往下想了，不再猶豫，立時做出決定，令李廣部與趙食其部合并，取路東道，迂回前行，攻擊單于部側翼。李廣得知后，認為東路迂回曲折，稍微有點繞遠，而且缺乏水草，勢必不能并隊行進，如此則不利對陣匈奴。于是李廣請求說：“我的職位是前將軍，大將軍卻命令我部從東路出兵，這恐怕不合時宜吧？況且我從結發成年時便與匈奴作戰，至今才得到一次與單于正面對陣的機會。望大將軍成全，我愿為前鋒，先與單于決一死戰。”
衛青的主意已定，豈能輕易更改，因而不管李廣如何請求，就是不肯更改命令，只說從側翼攻擊，能彌補我軍的空缺，說不定真能捕獲漏網的單于呢。李廣還是不聽。衛青就命令長史發文書到李廣的幕府，接著對李廣道：“速速回歸本部，按文書上說的辦。”李廣聽了，臉色很不好看，也不與衛青告辭，怒氣沖沖就離去了。到本部后，李廣便與趙食其合兵一處，隨后大軍從東路出發。也不知行了多遠，突然，意外發生了，向導逃亡。李廣與趙食其不免都傻眼了，無奈之下，只得另尋向導，可惜不得力，因而大軍時不時的陷入迷路的狀態。
而衛青率主力越過沙漠后，終于碰到了單于的主力。伊稚斜單于自是大喜，以為漢軍疲憊，有機可乘，急令萬騎前來相攻。為防止敵人沖陣，衛青一面下令將武剛車（有遮掩物體的戰車）集中起來，環繞為營；一面發五千騎前去迎敵。雙方就此捉對廝殺，展開激烈的搏斗。這時，太陽即將落山，刮起了大風，沙礫擊面，飛沙走石，遮天蔽日，因而兩軍都無法看清對方。衛青大喜，令左右兩翼急速包抄敵軍，又想若李、趙聯軍能及時趕到，伊稚斜單于怕是插翅也難飛了。找書苑 www.zhaosｈｕyuａn.ｃom
伊稚斜單于見漢軍人數眾多，又雖為長途遠征，但士卒與戰馬俱未顯露疲乏、厭戰之態，料想再爭斗下去，必下場不妙，因而心里漸漸有了別的想法。薄暮時分，伊稚斜單于下令將能顯露身份的裝飾全除去了，然后乘坐六騾之車，在數百名壯騎的護衛下，沖向漢軍的西北角，一番廝殺，突出重圍，然后疾馳而去。
黃昏時分，兩軍互相亂搏，混戰在一起，殺傷大致相當。激戰中，漢軍左校尉捕到一些匈奴俘虜，從他們口中得知單于在天未黑時便已離去了。衛青得知后，連嘆可惜，當即下令，著輕騎連夜追擊，自己則率大部隊緊隨其后。匈奴兵趁機四散逃走，但多數人的方向皆是設法追隨單于。
漢軍一路追擊，一路沖殺，天明時，已奔馳二百余里，未追到單于，但斬殺、俘虜敵人已達一萬九千人。又向北追擊一番后，漢軍沖殺至寘顏山（杭愛山脈南面的一支）的趙信城（匈奴為趙信所安排的居處），繳獲了匈奴存放的積粟。漢軍正好又疲又饑，便挑選了大量的粟米，以為軍糧，又于城中留居一日。次日，衛青下令將城中帶不走的粟全部燒掉，然后領軍折返。
伊稚斜單于自逃出包圍圈后，與他的大部隊失去聯系達十余日，因而大多數人都以為他已經戰死了。于是其部下右谷蠡王自立為單于，以安眾心。后來，伊稚斜單于與匈奴大部成功會合。于是右谷蠡王識趣地除去單于之號，仍尊伊稚斜為大單于。
衛青率領大軍向南橫渡沙漠后，終于碰上了迷路的李廣、趙食其二軍。
