力已經東移，漢武帝於是臨時更改部署，將霍去病所部東調改由代郡出塞，便於尋殲單于主力，衛青所部改由定襄出發，北上進擊左賢王。

趙信得知漢軍北進，又為伊稚斜單于出謀劃策：“漢軍即度幕，人馬罷（疲），匈奴可坐收虜耳。”單于依計而行，“悉遠北其輜重”。將全部家屬人畜輜重往更遠的北方轉移，而將精兵部署在漠北一帶，準備迎擊漢軍的進攻。

衛青從定襄出塞不久，從俘虜口中得知匈奴單于駐牧的地點，立刻令前將軍李廣與右將軍趙食其合兵一處由東路前進，以掩護自己的側翼並攻擊單于軍的左側背②，自己則率主力直奔單于軍的主力，準備從正面迎敵。他率部向北行進千餘里，穿越浩翰的大沙漠。抵達漠北後，“見單于兵陳而待”，衛青當機立斷，創造性地運用車騎協同的新戰術，命令部隊以武剛車“自環為營”，以防止匈奴騎兵的突然XI　JI，而令5000騎兵出擊匈奴。伊稚斜單于乃以萬騎迎戰。兩軍激戰一天，未見勝敗。臨近日落之時，突然

“大風起，沙礫擊面，兩軍不相見”，衛青乘勢派軍從左右兩翼迂迴，將單于的陣營包圍起來。伊雅斜單于“視漢兵多面士馬尚強，戰而匈奴不利”，遂趁夜幕降臨，跨上一匹善於奔跑的精騎，率領數百壯騎殺出重圍向西北方向逃去。戰至深夜，漢匈雙方傷亡大致相當。漢軍左校點視俘虜，發現單于已在天黑之前突圍脫逃，衛青立即派輕騎追擊，自率大軍隨後跟進。匈奴軍潰散。至天明，

漢軍追擊200餘里，俘斬敵軍萬餘名，但未見單于蹤影。衛青乘勝向北挺進，攻入窴顏山（今杭愛山南面的一支）趙信城（今蒙古人民共和國烏蘭巴托市西），繳獲了匈奴屯集的大批糧食和軍用物資。漢軍在此駐留一日，然後放火燒燬趙信城及城內未能運走的餘糧，回師南下。到達漠南之　後，衛青與李廣、趙食其會合。李廣、趙食其從東路前進後，因無嚮導，半道迷路而未能參戰。衛青派人查問迷路的情況，曾經威震敵膽、被匈奴稱為“漢之飛將軍”的李廣憤然對部下說：“廣�