此时，霍去病部北进2千余里，终于越过大沙漠。
走出沙漠后跟随军队的骆驼突然自顾自向前面走去，霍去病当即下令让士兵跟着它，如他所料，骆驼来到一片绿洲，开始低头舔舐流水。
大队人马齐齐欢呼，在沙漠前行已有数日，人跟马都耷拉着脑袋精疲力尽，骆驼能寻得这处水源，士兵们开心不已。
霍去病示意身旁的几个士卒走近自己下令道：“你们去附近探查，发现敌情速速来报”
随即转身对身后的骑兵们扬声道：“全体下马，原地待命”走到小河边蹲下把随身携带的水壶拿出来，装满水后仰头喝起来。
匈奴主力虽远逃漠北，但仍未放弃对汉朝边境的掠夺，前不久匈奴骑兵万余人突入定襄、右北平地区，杀掠汉朝边民一千多人。想到此处，他神情一下严肃起来。
两日后，派出去的探子来报“将军前面不远处发现左贤王部匈奴驻营”
为力保胜利，卫青麾下全是跟随他征战多年的老将，霍去病麾下也全是他亲点的年轻将领。李敢曾自请出战，但刘彻没同意，霍去病得知后，请求刘彻同意李敢做他的副将，如果他出现意外，李敢能代替他指挥部队。
李敢率先站出来道：“将军我愿率领一千人马从左侧突围”
霍去病正色道：“好，我领两千人在右边接应你，剩下的人从中间突围”虽然是在匈奴的腹地攻打匈奴，但是霍去病对匈奴的地形日后十分熟悉，且不出几个时辰赵破奴就会带领后勤部队支援。
就在此时，我与赵破奴已穿过大漠来到绿洲，军队本想坐下休整，突然听到不远处有刀剑碰撞的嗡鸣声与战马的嘶鸣，众士卒立马提起配刀，提高警惕。赶到战场之时，只见霍去病带领人马已然深入敌营，赵破奴赶忙下令让所有人加入战斗。
匈奴看对方援兵已到，且来势汹汹，更加慌乱起来，预先排好的阵形散乱开来，一部分小兵卒看情况不妙立即丢下武器往回跑。
左贤王被大败，捕获单于近臣章渠，诛杀了匈奴小王比车耆以及匈奴左大将，夺取了左贤王部的军旗和战鼓，匈奴军心大乱，只能缴械投降。
随后我军又快速翻越离侯山，渡过弓闾河，捕获匈奴屯头王和韩王等贵族。共斩杀匈奴七万余人，匈奴左贤王部几乎全军覆没。
卫青率军队北进一千多里，穿过大漠，遭遇匈奴单于所率主力精骑。卫青将军下令军中以武刚车环列为营应战，又命人将匈奴在赵信城积攒的粮食物资全部焚毁，失去补给的单于大军失去作战力，汉军趁乱斩杀匈奴近两万人。
临行前刘彻曾叮嘱：“务必让公孙敖做前锋”，所以虽然李广一再请求做前锋，但卫青仍旧只让李广做了策应。
然而李广在沙漠中再次迷路，未能与匈奴交战，又错失了一次封侯机会，他悲愤交加“我已六十多岁,毕竟不能再受那些刀笔吏的污辱。”话音一落,在卫青面前挥剑自刎。
虽然汉朝的胜利中蒙着一点李广自尽的阴影，但毕竟是汉朝开国以来，对匈奴史无前例，也许再无来者的巨大胜利。
至此，继元朔五年卫青将军灭杀匈奴右贤王部众后，汉朝匈奴之间历经整整五年的交战，匈奴三大主力单于部、左贤王部、右贤王部全部被汉朝击垮，漠南从此无匈奴王庭。