公元前120年，匈奴以每路数万骑的兵力分别攻入定襄和右北平，大肆杀掠吏民。汉武帝为彻底消除匈奴之患，决定组织更大规模的反击战。公元前119年春，汉武帝命大将军卫青率前将军李广、左将军公孙贺、右将军赵食其、后将军曹襄，以骑兵5万为主力，由代郡出发，寻求左贤王部主力决战；命骠骑将军霍去病率骑兵5万从定襄出发，寻求单于主力决战。此外，还配属汉军编制外的“私负从马”4万匹，运输、掩护辎重的步兵娄十万，分别跟随两兵团后行动。
卫青兵团出长城后，从俘虏口中得知单于所在的位置，于是兵分两路：以李广、赵食其为右路，自己亲率主力为左路，向单于进攻。单于得知汉军兵出长城后，企图以逸待劳，歼灭远程奔波而来的汉军。卫青出长城1000余里，跨过大漠。在到达漠北之时，发现单于正陈后以待。于是，立即部署武刚车环绕为营，以防匈奴骑兵突袭。然后，派5000重骑兵，从正面向匈奴军队发动进攻，单于亦派出万骑迎战。双方激战至黄昏，突然刮起了大风，沙尘蔽天，战场顿时陷于一片昏暗之中。卫青趁机指挥主力由左、右两翼投入战斗，包围匈奴军队。单于见汉军兵力强盛，恐战败被俘，竟率亲卫壮骑数百人，弃军突围，逃向西北。匈奴军队失去主帅后，一片混乱，被汉军迅速击溃。至天亮时，汉军已前进200余里，到匈奴后勤基地窴颜山赵信城，心得匈奴之辎重、军需。汉军补充军粮后，烧毁余粮等物，凯旋回朝。此战，共歼灭匈奴军19000余人。右路李广、赵食其部，因迷失道路，无功而返。到漠南时，方与卫青主力会合。
霍去病部出代郡，北进2000余里，于漠北大败左贤王部，追击至狼居胥山及姑衍山单于庭，俘获屯头等三王，以及将军、相国、当户、都尉等高级官将83人，其他人员7000余人。
此战过后，匈奴赖以攻汉的战略基地丧失。虽然后来匈奴仍有扰边行动，但对汉王朝的直接威胁已经大大减少。
