河南、漠南之戰後，匈奴單於雖率部遠徙漠北，仍不斷攻掠漢朝北部邊郡，企圖誘漢軍越過大漠，以逸待勞，擊滅漢軍。
四年春，漢武帝遣大將軍衛青、驃騎將軍霍去病各率5萬騎兵,分兩路深入漠北，尋殲匈奴主力。並組織步兵數十萬、馬數萬匹以保障作戰。單於聞訊，轉移輜重，部署精兵於大漠北緣，迎擊漢軍。
漢武帝原擬以霍去病部由定襄（今內蒙古和林格爾西北）北進，聞單於東去，乃改令其出代（今河北蔚縣東北），命衛青部出定襄。衛青率前將軍李廣、左將軍公孫賀、右將軍趙食其、後將軍曹襄等出塞後，得知單於並未東去，遂自領精兵疾進，令李廣、趙食其從東路迂回策應。衛青行千余裏，穿過大漠，與早已布陣的單於本部接戰，衛青先以武剛車（兵車）環繞為營，穩住陣腳，隨即遣5000騎出戰。至日暮，大風驟起，沙石撲面，衛青乘勢指揮騎兵從兩翼包圍單於。單於見漢軍兵強馬壯,自料難以取勝,率精騎數百,突圍向西北逃走,匈奴軍潰散。衛青急派輕騎追擊，自率主力跟進。直至顏山(今蒙古人民***和國杭愛山南面的壹支)趙信城，殲近2萬人,燒其積粟還師。李廣、趙食其因迷失道路，未能與衛青會師漠北。霍去病率校尉李敢等出塞後，同右北平郡(治今內蒙古寧城西南)太守路博德部會師，穿過大漠，與匈奴左賢王部遭遇。漢軍力戰，奪左賢王指揮旗鼓。匈奴兵潰逃。霍去病率部窮追，轉戰漠北，直至狼居胥山（今蒙古人民***和國烏蘭巴托東，壹說今內蒙古克什克騰旗西北）等地，深入2000余裏,殲7萬余人而還。
漠北之戰，漢軍作戰指導明確，準備充分，以騎兵實施突擊，步兵擔任保障，分路進擊，果敢深入，是在沙漠草原地區進行的壹次成功作戰，在中國戰爭史上具有重要地位。