鑒於匈奴單於本部及左賢王邦仍具相當實力並嚴重威脅漢朝北部邊疆安全的現實，考慮到漢軍經過以往多次實戰的鍛煉，已經積累了使用大規模的騎兵集團遠途奔襲的作戰經驗，漢武帝決意乘河西新勝之帆，加強北線進攻。元狩四年(前119年)，他下沼實行幣制改革，又令“初算緡錢”，實行鹽鐵專賣，以籌集戰爭所需要的大量物力和財力。同時，與諸將商議對匈奴的作戰方針。他認為：“趙信為單於畫計，常以為漢兵不能度幕(漠)輕留，今大發卒，其勢必得所欲。”決計利用趙信的錯誤判斷，出其不意，攻其不備，從而確定了壹個集中兵力、深入漠北、尋殲匈奴主力的作戰方針。漢武帝調集10萬騎兵，隨軍戰馬14萬匹，步兵及轉運夫10萬人，由衛青和霍去病統帥，分東西兩路向漠北進發，這是規模最大的壹次遠征；並組織“私負從馬復四萬萬步兵”，運送物資。
元狩四年春，衛青、霍去病統率大軍，慨然踏上了征途。（元狩四年春，上令大將軍青、驃騎將軍去病將各五萬騎，步兵轉者踵軍數十萬，而敢力戰深入之士皆屬驃騎）為確保此戰必勝，漢武帝在戰前進行了周密的部署：大將軍衛青率前將軍李廣、左將軍公孫賀、右將軍趙食其、中將軍公孫敖、後將軍曹襄，統率騎兵5萬出代郡尋找匈奴左賢王決戰；驃騎將軍霍去病率領經過待選的“敢力戰深入之士”5萬騎出定襄，尋找匈奴單於的主力軍決戰。但隊伍剛剛出發便捉獲匈奴的騎哨，得知單於主力已經東移，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，便於尋殲單於主力，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，又為伊稚斜單於出謀劃策：“漢軍即度幕，人馬罷(疲)，匈奴可坐收虜耳。”單於依計而行，“悉遠北其物質”。將全部家屬人畜物質往更遠的北方轉移，而將精兵部署在漠北壹帶，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於駐牧的地點，立刻令前將軍李廣與右將軍趙食其合兵壹處由東路前進，以掩護自己的側翼並攻擊單於軍的左側背，自己則率主力直奔單於軍的主力，準備從正面迎敵。他率部向北行進幹余裏，穿越浩翰的大沙漠。抵達漠北後，“見單於兵陳而待”，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襲擊，而令5000騎兵出擊匈奴。伊稚斜單於乃以萬騎迎戰。兩軍激戰壹天，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回，將單子的陣營包圍起來。伊稚斜單於“視漢兵多面士馬尚強，戰而匈奴不利”，遂趁夜幕降臨，跨上壹匹善於奔跑的精騎，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，發現單於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（漢軍左校捕虜言單於未昏而去，漢軍因發輕騎夜追之，大將軍軍因隨其後）。匈奴軍潰散。至天明，漢軍追擊200余裏，俘斬敵軍1.9萬余名，但未見單於蹤影。衛青乘勝向北挺進，攻入顏山(今杭愛山南面的壹支)趙信城，繳獲了匈奴屯集的大批糧食和軍用物資。漢軍在此駐留壹日，然後放火燒毀趙信城及城內未能運走的余糧，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，因無向導或向導死亡（軍亡導），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”的李廣對部下說：“廣結發與匈奴大小七十余戰，今幸從大將軍出接單於兵，而大將軍徒廣部行回遠，又迷失道，豈非天哉！”遂拔刀自則。壹代名將的死於非命，使此役的勝利大為失色。
東出的霍去病軍雖然末與匈奴單於交手，但其戰果也十分巨大。霍去病憑借部下兵精馬壯的優勢，出代、右北平後，在荒無人煙的大沙漠中長驅北進2000余裏，對匈奴左賢王發動猛烈進攻。左賢王自知不是霍去病的對手，很快就率親信棄軍而逃。霍去病窮追不舍，壹直追到了狼居胥山(約在今內蒙古克什克騰旗西北至阿巴嘎旗壹帶。壹說在今蒙古烏蘭巴托以東)，斬殺匈奴北車旨王，俘獲屯頭王、韓王等三人，將軍、相國、當戶、都尉等83人，匈奴吏卒70443人。為了紀念這次戰役，霍去病“封狼居胥山，禪於姑衍，登臨翰海(今內蒙古呼倫湖與貝爾湖。壹說今貝加爾湖)，執鹵（虜）獲醜七萬有四百四十三級”，祭告天地，慶祝勝利。
漠北之戰，是漢軍在距離中原最遠的戰場進行的壹次規模最大也最艱巨的戰役。漢武帝在取得河南、漠南、河西三大戰役的勝利的基礎上，根據漢軍經過實戰的鍛煉積累的運用騎兵集團進行長途奔襲與迂回包抄的作戰經驗，利用匈奴王廷北徒之後誤以為漢軍不敢深入漠北的麻痹心理，決定出其不意，攻其不備，大膽地制訂了遠途奔襲、深入漠北、犁廷掃穴、尋殲匈奴主力的戰略方針。與此同時，他又細心進行戰前的準備，除集中全國最精銳的騎兵和最優秀的戰將投入戰鬥外，還調集大批馬匹與步兵，運送糧草輜重，以解決遠距離作戰的補給問題。而在作戰中，漢軍統帥又發揮了出色的指揮才能，充分利用騎兵的機動性與沖擊力，不僅敢於深入敵境，而且善於迂回包抄，特別是衛青，在遭遇單於主力後，機智地運用了車守騎攻、協同作戰的新戰術，先借助戰車的防禦能力使自己立於不敗之地，繼而發揮騎兵迅速機動的攻擊能力，迂回包抄敵軍的兩翼，壹舉擊潰單於的主力，更顯示出其戰役指揮方面的優異才能。所有這壹切，都為漢軍的勝利提供了保障。
漠北之戰最終以漢軍的全面勝利而告終。在這次戰役中，***殲滅匈奴軍9萬余人，使其壹時無力渡漠南下。西漢亦損失兵力數萬人，馬10萬余匹。左賢王所部主力幾乎全部被殲。伊稚斜單於因與兵眾失散十余日，以致於被誤認為戰死沙場，右谷蠡王自立為單於，十幾天後伊稚斜單於復出，右谷蠡王乃去號，匈奴王廷的混亂與狼狽狀態由此可見其嚴重。由於大批有生力量被殲、大批物資喪失，匈奴單於不敢再在大漠北緣立足而向西北方向遠遁，因而出現了“幕南無王廷”的局面。如果說漠南之戰後匈奴單於移王廷於漠北還可以看作是壹種戰略轉移的話，那麽，漠北之戰後的“幕南無王廷”則標誌著匈奴勢力大範圍的退縮。此後，雙方暫時休戰，經過這次大決戰，危害漢朝百余年的匈奴邊患已基本得到解決。