匈奴不甘心在河套地區的失敗， 一心想把朔方重新奪回去， 所以在幾年內多次出兵， 但都被漢軍擋了回去。 元朔五年春， 漢武帝命衛青率三萬騎兵從高闕出發；蘇建、李沮、公孫賀、李蔡都受衛青的節制， 率兵從朔方出發；李息、張次公率兵由右北平出發。 這次總兵力有十余萬人。 匈奴右賢王認為漢軍離得很遠， 一時不可能來到， 就放鬆了警惕。 衛青率大軍急行軍六、七百里， 趁著黑夜包圍了右賢王的營帳。 這時， 右賢王正在帳中擁著美妾， 暢飲美酒， 已有八九分醉意了。 忽聽帳外殺聲震天， 火光遍野， 右賢王驚慌失措，
漢武帝接到戰報， 喜出望外， 派特使捧著印信， 到軍中拜衛青為大將軍， 加封食邑8700戶， 所有將領歸他指揮。 衛青的三個兒子都還在繈褓之中， 也被漢武帝封為列侯。 衛青非常謙虛， 堅決推辭說：“微臣有幸待罪軍中， 仰仗陛下的神靈， 使得我軍獲得勝利， 這全是將士們拚死奮戰的功勞。 陛下已加封了我的食邑， 我的兒子年紀尚幼， 毫無功勞， 陛下卻分割土地， 封他們為侯。 這樣是不能鼓勵將士奮力作戰的。 他們三人怎敢接受封賞。
經過幾次打擊， 匈奴依然猖獗。 多次進攻代地， 攻雁門， 劫掠定襄（今山西定襄）、上郡（今陝西綏德縣東南）。 元朔六年二月， 漢武帝又命衛青攻打匈奴。 公孫敖為中將軍， 公孫賀為左將軍， 趙信為前將軍， 蘇建為右將軍， 李廣為後將軍， 李沮為強弩將軍， 分領六路大軍， 統歸大將軍衛青指揮， 浩浩蕩蕩， 從定襄出發， 北進數百里， 殲滅匈奴軍數千名。 這次戰役中，
在討論如何處置蘇建棄軍而逃的罪過時， 有人建議將他斬首以建立大將軍的威嚴， 有人認為蘇建是盡力而戰的， 不應斬首。 衛青認為自己身為皇親國戚， 沒有必要再建立威嚴；自己本有權力可以處決部將， 卻不敢擅殺。 他要做一個人臣不敢專權的榜樣， 於是把蘇建用囚車送回長安由皇帝處理。 漢武帝赦免了蘇建的死罪， 令其交納了贖金後貶為平民。
為了徹底擊潰匈奴主力， 漢武帝集中全國的財力、物力， 準備發動對匈奴的第三次大戰役。 元狩四年春， 漢武帝召集諸將開會， 商討進軍方略。 他說：“匈奴單于採納趙信的建議， 遠走沙漠以北， 認為我們漢軍不能穿過沙漠， 即使穿過， 也不敢多作停留。
原計劃遠征大軍從定襄北上，
由霍去病率驍勇善戰的將士專力對付匈奴單于。
後來從俘獲的匈奴兵口中得知匈奴伊稚斜單于遠在東方，
於是漢軍重新調整戰鬥序列。
漢武帝命霍去病從東方的代郡出塞，
衛青從定襄出塞，
力戰深入之士皆歸驃騎將軍霍去病統率。
大將軍衛青麾下，李廣為前將軍，公孫賀為左將軍，趙食其為右將軍，曹襄為後將軍。漢武帝私諭衛青道李廣年紀已高、運氣又不好，不要用他抵擋單于。於是大將軍就沒讓李廣擔任先鋒，而是與右將軍趙食其兩軍合併，從右翼進行包抄。衛青自己率左將軍公孫賀、後將軍曹襄從正面進兵，直插匈奴單于駐地。
趙信向伊稚斜單于建議：“漢軍不知道厲害，竟打算穿過沙漠。到時候，人困馬乏，我們以逸待勞，就可以俘虜他們。”於是下令所有的糧草輜重，再次向北轉移，而把精銳部隊埋伏在了沙漠北邊。 衛青大軍北行一千多裡，跨過大沙漠，與嚴陣以待的匈奴軍遭遇了。衛青臨危不懼，命令部隊用武剛車（鐵甲兵車）迅速環繞成一個堅固的陣地，然後派出5000騎兵向敵陣衝擊。匈奴出動一萬多騎兵迎戰。雙方激戰在一起，非常慘烈。黃昏時分，忽然刮起暴風，塵土滾滾，沙礫撲面，頓時一片黑暗，兩方軍隊互相不能分辨。衛青乘機派出兩支生力軍，從左右兩翼迂回到單于背後，包圍了單于的大營。伊稚斜單于發現漢軍數量如此眾多，而且人壯馬肥，士氣高昂，大為震動，知道無法取勝，就慌忙跨上馬，在數行精騎的保護下奮力突圍。向西北方向飛奔而去。
這時，夜幕已經降臨，戰場上雙方將士仍在喋血搏鬥，喊殺聲驚天動地。衛青得知伊稚斜單于已突圍逃走，馬上派出輕騎兵追擊。匈奴兵不見了單于，軍心大亂，四散逃命。衛青率大軍乘夜挺進。天亮時。漢軍已追出二百多裡，雖然沒有找到單于的蹤跡，卻斬殺並俘虜匈奴官兵 19000多人。 衛青大軍一直前進到真顏山趙信城（今蒙古烏蘭巴托市西），獲得了匈奴屯積的糧草，補充軍用。他們在此停留了一天．然後燒毀趙信城及剩餘的糧食。勝利班師。
霍去病率領的東路軍，北進兩千多裡，與匈奴左賢王的軍隊遭遇。經過激戰，俘獲了匈奴三個小王以及將軍、相國、當戶、都尉等83人，消滅匈奴七萬多人。左賢王敗逃而去。
這次戰役，漢軍打垮了匈奴的主力，使匈奴元氣大傷，再也沒有能力南下窺視漢朝。從此以後，匈奴逐漸向西北遷徙，出現了“漠南無王庭”，匈奴對漢朝的軍事威脅基本上解除了。
漢武帝為表彰衛青、霍去病的大功，特加封他們為大司馬，令霍去病秩祿與衛青相同。衛青以貧賤的出身，最終卻登上了大將軍、大司馬的高位。
大將軍衛青麾下，李廣為前將軍，公孫賀為左將軍，趙食其為右將軍，曹襄為後將軍。漢武帝私諭衛青道李廣年紀已高、運氣又不好，不要用他抵擋單于。於是大將軍就沒讓李廣擔任先鋒，而是與右將軍趙食其兩軍合併，從右翼進行包抄。衛青自己率左將軍公孫賀、後將軍曹襄從正面進兵，直插匈奴單于駐地。
趙信向伊稚斜單于建議：“漢軍不知道厲害，竟打算穿過沙漠。到時候，人困馬乏，我們以逸待勞，就可以俘虜他們。”於是下令所有的糧草輜重，再次向北轉移，而把精銳部隊埋伏在了沙漠北邊。 衛青大軍北行一千多裡，跨過大沙漠，與嚴陣以待的匈奴軍遭遇了。衛青臨危不懼，命令部隊用武剛車（鐵甲兵車）迅速環繞成一個堅固的陣地，然後派出5000騎兵向敵陣衝擊。匈奴出動一萬多騎兵迎戰。雙方激戰在一起，非常慘烈。黃昏時分，忽然刮起暴風，塵土滾滾，沙礫撲面，頓時一片黑暗，兩方軍隊互相不能分辨。衛青乘機派出兩支生力軍，從左右兩翼迂回到單于背後，包圍了單于的大營。伊稚斜單于發現漢軍數量如此眾多，而且人壯馬肥，士氣高昂，大為震動，知道無法取勝，就慌忙跨上馬，在數行精騎的保護下奮力突圍。向西北方向飛奔而去。
這時，夜幕已經降臨，戰場上雙方將士仍在喋血搏鬥，喊殺聲驚天動地。衛青得知伊稚斜單于已突圍逃走，馬上派出輕騎兵追擊。匈奴兵不見了單于，軍心大亂，四散逃命。衛青率大軍乘夜挺進。天亮時。漢軍已追出二百多裡，雖然沒有找到單于的蹤跡，卻斬殺並俘虜匈奴官兵 19000多人。 衛青大軍一直前進到真顏山趙信城（今蒙古烏蘭巴托市西），獲得了匈奴屯積的糧草，補充軍用。他們在此停留了一天．然後燒毀趙信城及剩餘的糧食。勝利班師。
霍去病率領的東路軍，北進兩千多裡，與匈奴左賢王的軍隊遭遇。經過激戰，俘獲了匈奴三個小王以及將軍、相國、當戶、都尉等83人，消滅匈奴七萬多人。左賢王敗逃而去。
這次戰役，漢軍打垮了匈奴的主力，使匈奴元氣大傷，再也沒有能力南下窺視漢朝。從此以後，匈奴逐漸向西北遷徙，出現了“漠南無王庭”，匈奴對漢朝的軍事威脅基本上解除了。
漢武帝為表彰衛青、霍去病的大功，特加封他們為大司馬，令霍去病秩祿與衛青相同。衛青以貧賤的出身，最終卻登上了大將軍、大司馬的高位。