卜式发起的公益行动，让汉朝暂时没有了财政上的困难，一场主力会战拉开序幕。
元狩四年（前119）的初夏时节，武帝召集将领们召开会议。武帝提出：“翕侯赵信给匈奴单于提出了建议，将匈奴单于庭设在漠北，他们对我军没有防备，不会想到我们会长途跋涉到漠北与他们决战。现在如果我们集中优势兵力在漠北进行大会战，一定能取得预料的战绩。”
于是，汉朝发动十万骑兵，卫青、霍去病各有五万人，还有后勤马匹四万匹，保障后勤和助攻的步兵一共有几十万人。相对而言，霍去病的骑兵战斗力更强，所以霍去病担任主攻任务，集结于定襄，任务是打击、重创匈奴主力的有生力量。卫青的任务，则是率领一支步、骑、车合成的大军，捣毁匈奴的单于庭——赵信城（今天蒙古国杭爱山南麓，乌兰巴托西边的车车尔勒格市）。
随后汉军吸取漠南战役的经验，进行了细致的侦察工作，最后得到确切消息，匈奴单于主力在东线战场的北方。这个也是意料之中，毕竟匈奴西线已经一败涂地。于是卫青在定襄郡集结军队，霍去病部赶往代郡、右北平郡一带。
出征前，李广再三要求出征，武帝考虑到李广运气太背，年纪又大，没有同意。后来再三考虑，心一软，任命李广为前将军。此外，任命太仆公孙贺为左将军，主爵都尉（掌管爵位）赵食其为右将军，曹瓤为后将军，统一在定襄集结，由卫青指挥。除了曹瓤以外，都是与卫青参与指挥过漠南之战的老面孔。
而主攻方向的霍去病手下没有裨将军（副指挥），只是任命李敢（李广儿子，第二次河西作战时在东线战场有立功表现）等人为大校（高级的校尉）。
伊稚斜单于听说了汉军的动向，非常郁闷，赵信依然是那么自信，告诉伊稚斜说：“汉军长途奔袭越过沙漠，我军以逸待劳，坐着收编俘虏就行了。”
呵呵，当初在汉军中，汉军也是赵信口中的“我军”。
作为应对，伊稚斜单于在漠北集结主力，将辎重放到更远的地方，也是一副决一死战的态势。手下的骑兵，七七八八地还剩个二十几万呢。右谷蠡王和河西部队虽然被全歼，东部的左谷蠡王实力依然存在，有他挡着，霍去病也打不来。
卫青的中路军抓捕俘虏，逐渐得到了单于位置的确切消息，于是分兵北上，卫青率领主力迎击单于，命令前将军李广与右将军赵食其会师，从东路进军，在漠北再与大军会合。东路道路稍微有些绕，加上主力军在沙漠行军肯定不休息，等于是让赵食其和李广做预备队了。
原来，皇帝考虑到李广的年龄和运气，暗中指示卫青别真的让李广当前锋，该调动就调动，最好让他当个后卫。加上老战友公孙敖最近刚刚犯了错误，更需要一次立功表现。
李广接到这个命令，自然不高兴，跟卫青说：“大将军你不厚道啊！我是前将军，是主攻啊，这下我成助攻了！不对，简直是候补！老子刚成年就出来打匈奴了，那时候还没你呢！今天这一仗，就是要打匈奴单于，我保证我力战到底，实在不行我比单于先死！”
李广软磨硬泡，卫青就是不领情：“你以为踢蹴鞠呢？还主攻、助攻、候补，赶快组织军队按照部署干。”李广径直离开，甚至没有告退，脸上写满了无奈的愤怒。
卫青的主力前进千余里（汉朝的一千里相当于现在的400多公里）进入漠北，果然遇上了单于本部的军队。匈奴在那里就建好了防御工事，军队阵形严严实实的。
卫青的作战思想其实比较趋于保守，之前作战，一来集中了优势兵力，二来有一定的战术突然性。可是这次匈奴人已经做好了防御，准备相当充分。河南之战的时候，卫青就吃了一次亏。最要命的是，这时候李广、赵食其还不知道在哪里，左等右等就是不来，说好的漠北集结呢！
但是这次，卫青不怕了，他拿出了汉军的“秘密武器”，武钢车。
武钢车是种两用车，既可以用来运输，又可以用来作战。这是一种重型战车，很大，长有两丈（汉代一丈大概两米五不到），宽有一丈四，一般用牛拉。与一般的战车不同，武钢车四面都有防护，用大盾包裹着车厢，盾上还有射击孔和矛。甚至根据资料来看，当时作战用的武钢车顶上面还有一门重型弩炮。这就是一辆古代的步兵坦克啊！
汉军将武钢车组织起来建立了圆形的防御圈，保证防御圈中的主力不会受到匈奴的打击，然后派出五千骑兵进攻匈奴军。匈奴军队也派出大约一万骑兵进行反冲击，汉军以少敌多，与匈奴骑兵绞杀在一起。当时，已经是傍晚了，天色逐渐暗淡。这时候正好又爆发了沙尘暴，沙子和小石子打在人脸上都疼，两军的主力已经相互无法看到了。
趁着这种有力态势，卫青指挥剩下的骑兵陆续出击，逐渐从两翼突进，以包围匈奴军。伊稚斜看到这样让他无语的天气，和无法打败五千汉军骑兵的一万匈奴兵，再考虑到了卫青的兵力和士气，心想算了还是逃吧。于是乘坐一辆六匹骡子拉的车，带着数百名亲身侍卫，在包围圈还没合拢的时候，向西北方逃去。
到了夜晚，汉军愈战愈勇，匈奴军也在做垂死的挣扎，双方伤亡人数相当。没多久，汉军左翼的一个校尉抓到一个俘虏，得知匈奴单于在天还没黑时就已经向西北逃窜。卫青得到这个消息，立即调整部署，派遣轻骑兵向西北方向追击，主力紧跟其后。匈奴军队见汉军撤开了包围圈，立即四散奔逃。
等天亮了，汉军轻骑兵一路追击两百里，还是没有见到伊稚斜单于的踪影。经过一夜的厮杀，虽然为了追击单于没有全歼这伙匈奴人，但是也让匈奴损失了一万九千多人，而且卫青也来到了此行的目的地，赵信城。
卫青在赵信城，惊呆了，哇噻，原来单于把主力的辎重都放在这里啊！于是汉军就在赵信城大吃海吃了一天。第二天，能带走的匈奴辎重就带走，带不走的，就一把火给烧了，直到亲眼看到辎重全部烧完，才撤军向南。
在东线，骠骑将军霍去病到了右北平与当地太守路博德会师后，北上深入匈奴军队两千多里，找到了左谷蠡王的主力军。霍去病天生就是打匈奴的，这次的战果一如既往地辉煌，夺了匈奴左谷蠡王的战旗，俘虏匈奴小王三个，将军、相国、当户、都尉一共八十三人。左谷蠡王的残军一路奔逃，汉军就一路追击，一共歼敌七万余人，汉军伤亡一万人左右。
胜利后，霍去病还代表汉朝天子在匈奴的祭天场所（以前的祭天场所被当时的车骑将军卫青给……你懂的）狼居胥山组织汉军也搞了一次祭天活动，在姑衍山搞了祭地活动。这对匈奴民众的心理震撼可想而知。
狼居胥山、姑衍山在哪，现在没人知道，众说纷纭，但是霍去病当时去的有一个地方是可以确定的，史书记载霍去病在祭祀天地后“登临瀚海而还”，也就是霍去病带着将士们在匈奴搞公费旅游一直到了瀚海才回去。可以推测狼居胥山和姑衍山离瀚海不远。瀚海在哪里呢？瀚海，就是浩瀚的大海，当然了，不是北冰洋，北冰洋全是冰，一点也称不上浩瀚，在漠北地区能符合条件的只有当时被称之为“北海”的贝加尔湖。贝加尔湖在今天的俄罗斯境内，西伯利亚的南部，是世界上最深的淡水湖，有一千多米深，蓄水量也是世界淡水湖中最大的。不过在唐朝以后，瀚海的意思就变了，成了沙漠的意思。
汉军取得胜利后，逐步向南撤离。卫青的深入并不远，没多久就到了漠南，没想到在漠南遇上了两个人——李广和赵食其。搞了半天这两人压根儿就没找到通往沙漠的路，更别说漠北了！
卫青心里不是滋味，就让一个文书做传令官去传话，叫李广、赵食其去大将军幕府（幕府就是指挥所）回话，说白了就是挨批。
李广得到消息，跟传令官说：“手下的校尉们都没什么罪，是我自己迷路的，一会儿我亲自去大将军幕府写检讨。”
可是李广另有打算，想了想，唉，真没意思了。回到自己的幕府，跟校尉、幕僚（文书、干事、参谋之类）们说：“老子刚结婚不久就去打匈奴，到现在混到将军，大大小小的战斗七十多场！我今年六十好几了，面对这些传令官的问责，我怎么面对？”说完，拔刀自刎而死。
挺可惜的，其实如果李广不自杀，武帝也会饶他一命。赵食其原本被判处死罪，最后还是缴纳罚金了事。
