汉军方面，还有一件事情需要交代。大将军卫青出塞后，从俘虏口中得知单于主力所在，于是亲率精兵趋进，改令前军李广及右军赵食其出东路以为掩护。
由于东路绕远而且沿途少水草，李广自告奋勇说：“我部本为前将军，今大将军您改命我出东道，希望能收回成命。我自结发而与匈奴战，如今才得到和匈奴单于本人正面交锋的机会，我希望能为前锋，即使战死也心甘情愿！”
可是，卫青出发前，汉武帝亲自交代过说：“李广年老，运气又差，千万不要派他首当单于，恐怕他不能成功。”此外，由于上次战争中卫青好友公孙敖兵败失去侯爵，所以卫青也想让公孙敖和自己一起去迎击单于主力，立功后，这位老友才能恢复侯爵称号。由此，卫青做出让李广改道的决定。
李广亲自面见卫青要求为先锋，卫青坚持己见。
李广大怒，愤而起身，不辞而行。
卫青率部出定襄不久，自向北急行千余里，终于遭遇匈奴单于主力。经验老到的卫青，马上下令汉军以武刚车（一种兵车）环绕为营，立定阵脚，防止匈奴突袭。然后，他派出五千骑进击。
匈奴也不弱，以万骑迎战。大战开始。
战至黄昏时分，双方依旧不分胜负。突然间，大风刮起，沙砾击面，估计是间歇性沙尘暴，吹得两军战士连敌人的面目都分不清。
趁此机会，卫青派汉军左右翼迂回包抄单于主力。仗打到这个份儿上，单于先软了，唯恐兵败被擒，他乘坐六骡车，在数百精兵护卫下，溃围而去。当时已经薄暮时分，汉军和匈奴军都不知道单于跑了，双方还殊死搏战，杀伤相当。等汉军捉到一个匈奴中级军官，才知道单于已经逃跑，于是卫青遣轻骑兵马上追击。匈奴兵不久也得知单于逃跑，无心恋战，四处溃逃。
追击一夜，黎明时分，汉军追赶了二百多里，虽然没有生擒单于，但追击过程中，汉军斩首一万九千级。而后，卫青一直率部北进，杀到窴颜山赵信城，缴获匈奴辎重军粮，堆如山积。
汉军休整一日后，尽烧匈奴余粟，而后震旅而还。
卫青大军还至漠南，才遇到了李广和赵食其二军。
这两个人因为在沙漠中迷了路，从而失去了和匈奴主力对阵的机会。汉法严苛，卫青派军中文吏到李广军中责问迷路过程，并召李广到大营幕府待查。
为此，李广对部下羞愤言道：“广结发与匈奴大小七十余战，今幸从大将军出接单于兵，而大将军又徙广部行回远，而又迷失道，岂非天哉！且广年六十余矣，终不能复对刀笔之吏！”
言毕，李广拔刀自刎。
李广为人，廉洁奉公，每得皇帝赏赐，就分给部下同享。平时，与士卒饮食与共。为二千石官四十多年，却家无余财。
李广天生是大将材料，猿臂善射，百发百中。每次带兵出征，乏绝之处见水，士卒不尽饮，李广不近水；士卒不尽食，李广不吃饭。由此，士卒为之乐死。
所以，当李广自刭消息传出，一军皆哭。汉朝百姓闻之，不分老少，皆为之哀伤垂涕。
李广虽死，汉军大胜的事实却不容改变。
匈奴伊稚斜单于向西北遁去后，汉军轻骑随后一直追击，以至于他和匈奴部众失散十余日。
混乱之间，匈奴的右谷蠡王为了稳住军心，自立为单于。后来发现伊稚斜单于还活着，忙去其号。可见，当时匈奴内部有多混乱，多狼狈。
在东线，霍去病率领五万骑兵出代郡，一路轻装前进，在兴城（今多伦附近）与右北平太守路博德及渔阳军队会师。然后，他们挺进两千多里，遭遇匈奴左贤王部，双方展开大战。
此时汉军气势强盛，以一当十，打得左贤王军大败。
得势不饶人。汉军穷追不舍，越鸡侯山，渡弓庐水，一直追击到狼居胥山（今蒙古国乌兰巴托以东），杀得左贤王部仅剩下十分之一二。
大捷之后，霍去病祭天地于姑衍，登临瀚海（今呼伦贝尔湖，一说今贝加尔湖），而后振旅凯旋。
此次霍去病所率汉军，转战两千余里，斩单于近臣，比车耆王，擒屯头王，韩王等三人，将军、相国、当户、都尉八十三人，斩首七万四千余级。
为此，汉武帝兴高采烈，置“大司马”官位，以大将军卫青与骠骑将军霍去病皆为“大司马”，下诏单独褒奖霍去病：
骠骑将军（霍）去病率师，躬将所获荤粥之士，约轻赍，绝大幕，涉获章渠（章渠，单于之近臣，汉军涉水而破获之），以诛比车耆（匈奴王号），转击左大将，斩获旗鼓，历涉离侯（山名），济弓闾（水名），获屯头王（匈奴王号）、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉八十三人，封狼居胥山，禅于姑衍，登临翰海（登海边山以望海）。执卤获丑七万有四百四十三级，师率减什三，取食于敌，逴（音卓）行殊远而粮不绝，以五千八百户益封骠骑将军！
李广虽然自杀，其子李敢却因军功得封关内侯。
由于此役大将军卫青未能完成擒杀单于的任务，故无封赏。
此次大战，汉朝虽然大胜，付出的代价也很惨重。李广自杀，数万汉军精锐战死，出塞马匹十四万，归来不足三万。所以，此战过后，汉朝因为严重缺马，再也不能组织大规模骑兵部队出塞。
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