漠南、河西两大战役之后，虽然匈奴的势力遭到了重创，但仍不停止南下骚扰汉朝边境。
元狩三年（公元前1）匈奴又从右北平、定襄攻汉，杀掠千余人，还用汉降将赵信的计谋，欲把汉军引至漠北歼之。
公元前1，汉武帝恼怒匈奴两次战败仍贼心不改，遂决定来一次更大规模的军事行动。经过充分准备之后，武帝命大将军卫青、骠骑将军霍去病各统领骑兵5万、4万随军私人马匹，几十万步兵以及转运者，分别从定襄、代郡出发，深入漠北，寻歼匈奴主力，予以打击。匈奴单于听说汉兵远来扫荡，不敢怠慢，“远其辎重，以精兵待于漠北”。卫青率精兵出塞，寻歼单于本部，同时令李广、赵食其从东面迂回策应。
抵达漠北之后，“见单于兵陈而待”，卫青当机立断，创造性地运用车骑协同的新战术，命令部队以武刚车“自环为营”，以防匈奴骑兵突袭，又令5000骑兵进击匈奴，伊稚斜单于乃以万骑迎战。
两军从黎明激战至黄昏，杀得难解难分，临近日落之时，突然刮起大风，飞沙走石，两军不辨敌我，卫青乘势分轻骑从左右两翼迂回包抄匈奴。
伊稚斜单于见汉军人马尚强，情知再打下去会吃亏，遂趁夜幕降临之时，跨上一匹千里马，率数百壮骑杀出重围向西北方逃走。匈奴军溃散，卫青乘势追击，斩杀、俘虏敌人共计1.9万余名。
与此同时，“飞将军”李广和赵食其肩负着迂回截击匈奴单于的任务，日夜兼程行军，然大漠深处一眼望去，全是无边无际的荒沙，找不到一个当地人。李广军因没有向导，迷了路，李广焦急却无可奈何，怕再往前走与卫青主力军队更无法会面，下令回军南还。
卫青经过殊死血战，击溃匈奴单于主力，本期望李广能在单于后方截断伊稚斜单于的退路，然后汉军前后夹击，围歼单于。但北追200余里却不见李广军，伊稚斜单于最终逃脱。
卫青继续挥师挺进，兵至寘颜山赵信城，缴获了匈奴屯集的大批粮食以及军用物资，并在其地休整一天，放火烧毁赵信城之后班师回国。到达漠南以后与李广、赵食其会合，卫青差人往李广军营询问迷路的经过，并说要上报天子。卫青派去的人劝李广把走失单于的责任推给赵食其，以避惩罚，但李广正直，不答应。
卫青恼怒，又遣人催逼李广的幕僚去中军受审，李广说：“他们无罪，迷路责任在我，我自己去受审。”他把责任揽在自己的身上。
来人走后，李广慨然叹道：“我自年少从军，与匈奴大小70余战，想不到今天却被大将军如此催逼，我已年过花甲，怎能再受这样的侮辱？”说罢拔剑自刎而死，左右无不泪如雨下。
率兵从东路出代郡的霍去病却取得了辉煌的战绩，足以使他彪炳史册。他深入2000余里，凭借兵精马壮的优势，对匈奴左贤王发起猛烈攻击。霍去病少年英雄，身先士卒，左贤王垂垂老已，怎是他的对手？战不多时，左贤王就率亲信弃军而逃，匈奴兵大溃。
霍去病立即率众追击，一直追到狼居胥山，歼其精锐，斩杀北车旨王，俘屯头王、韩王等3王以及将军、相国、当户都尉等83人，俘虏7万多人。并且封狼居胥，登临翰海，祭告天地之后班师凯旋。
漠北之战重创了匈奴势力，从此“匈奴远遁，而漠南无王庭”，危害汉朝百余年的边患基本得到解决。
