先前漠北之战的大败，确实也让匈奴人吸取了教训。战前，匈奴军队侦察工作也很充分，不再像从前那样骄慢，备战工作很完善。
李广利军出塞后，率领汉军主力到达涿邪山，一路并未发现匈奴骑兵。后来，得知匈奴主力全部转移到余吾水以南，李广利就指挥汉军转向东北，气势汹汹朝余吾水方向进击。
对阵之后，汉匈双方主力相逢展开了激战。由于李广利所部汉军主力总人数超过匈奴军，似乎暂时占据了上风。但汉军骑兵数量不及匈奴，机动性不够。
双方大军在草原上展开拼杀，大战数日，互有胜负，一时倒也难分高下。
在汉匈主力接战的同时，汉军右翼公孙敖所部和匈奴左贤王也争杀激战。由于左贤王有备，公孙敖军渐感不支。
汉军韩说所部三万步兵，一路未见敌军，擅自引军回退。
按理说公孙敖是多年出征匈奴的老将了，可他很害怕丧师败绩，见和左贤王交战不能取胜，也先撤了。
李广利提领如此多的汉军，连战十多天，发现侧翼失去掩护，辎重补给又跟不上，逐渐心虚。趁着汉军在交战中还处于上风，他也指挥军队撤退。
匈奴单于心悸，看到汉军先撤，他没敢追击汉军，停留在当地观望。由此，汉军得以全身而退。
此次余吾水大战，对于汉朝来讲，二十一万大军出塞，最终却如此平淡收场，可谓虎头蛇尾。
统帅李广利能力太差，几乎不知道如何利用骑兵优势，而是笨拙地在正面战场上和来去如风的匈奴骑兵硬碰硬，致使汉军军力消耗太快。而公孙敖和韩说两位大将，根本没有战场大局观，在未得许可的情况下，擅自引军撤退，完全把李广利主力汉军两翼暴露，全然庸才所为。
余吾水战役后，汉匈双方一时间似乎都知道奈何不得对方，双方进入了长达六年的休战期。
汉武帝太始元年（前96年），且鞮侯单于死去，他的长子左贤王被立为单于，是为狐鹿姑单于。
征和二年（前91年）秋天，匈奴军队入侵上谷、五原，杀掠吏民。转年，匈奴复入五原、酒泉，杀汉朝两部都尉。
此时，年老的汉武帝大怒，决定再兴大军，进攻匈奴。
由此，汉武帝时期对匈奴的最后一战——燕然山战役开始。
汉武帝到了晚年，吃了太多的“神仙大力丸”。这些西域麻药类的东西侵害了他的神经系统。由于身体衰弱，武帝的性格变得更加多疑乖张，导致他屡兴大狱。征和元年武帝穷究巫蛊案，最后连自己的太子也自杀。皇后卫子夫自杀，多名宗室和贵戚被诛。
都城长安血雨腥风，使得武帝的统治出现重大问题。加之连年征战，横征暴敛，国内矛盾愈演愈烈。
就是在这样内忧外患的情况下，武帝又大规模发兵，三路进击匈奴。而大军统帅，还是那位贰师将军李广利。
三路大军中，中路由贰师将军李广利帅七万人出五原，杀向匈奴王廷所在地；右路，御史大夫商丘成将三万人出西河；左路，重合侯马通将四万骑兵出酒泉，往天山方向前进。
为保证左路马通的侧翼安全，防止西域小国车师的军队遮击马通后路，武帝还派遣匈奴降将、开陵侯成娩率领楼兰、尉犁等六国兵先行，直杀车师。这支部队，循上次李广利部队方向杀入西域，目的就在于斩断车师和匈奴的联系，完全消除匈奴在西域的影响力。
此次大战，汉军总兵力大概十四万人。人数不可谓不多。
如此重大战役，汉武帝之所以起用李广利为主帅，理由听起来极其荒唐：战前武帝在宫内让巫师卜卦，得卦结果，匈奴必灭，诸将中贰师将军最吉！
以李广利为帅，与其说是上天给汉武帝开的玩笑，不如说是汉武帝给汉朝命运开的玩笑。
李广利出师，率领他的军事统帅班子离开长安。为此，与李广利有姻亲关系的丞相刘屈牦亲自送行到渭水之滨。将相二人，密谈良久。他们所谈的中心内容，关乎国运：武帝年老，身体虚弱。太子已在巫蛊之祸中被杀，帝国一直没有继承人。一旦武帝病重，丞相刘屈牦在京城，一定要扶立李广利妹妹李夫人之子昌邑王刘髆为帝。
那么，李广利和刘屈牦两人是何种姻亲关系呢？
李广利的女儿，乃刘屈牦儿媳。如果李广利的外甥昌邑王刘髆能够为帝，李广利家族自不必言，刘屈牦家族肯定也受贵幸。
得知汉兵大出，匈奴依旧是固有策略，坚壁清野，各部悉弃辎重，单于还下令把昔日的赵信城也连根拔起，全部物资转移到郅居水（今杭爱山北麓色楞格河）。左贤王也受单于之命，驱其部民渡余吾水六、七百里远，退居兜銜山一带，远避汉军。
准备完毕，狐鹿姑单于自率精兵，小心翼翼渡过姑且水（杭爱山东南），防范汉军主力的进袭。
李广利所部汉军出五原，一路进展顺利。汉军到达夫羊句山（今蒙古国古里精呼都克）的时候，遇到匈奴单于派出的右大都尉和卫律所率五千精骑迎击。本来想给汉军来个下马威，结果匈奴骑兵却被李广利所部汉军迎头痛击，大败。
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