经过漠南、河西两次大战的打击，匈奴的势力受到了严重削弱，但他们仍然没有停止向南下骚扰汉朝边境。
公元前120年，匈奴再次从右北平、定襄进攻汉朝，屠杀了一千多人。
还利用汉降将赵信的计谋，试图引诱汉军到漠北歼灭。
公元前119年，汉武帝对匈奴多次战败但未放弃侵略的行为感到震怒，因此决定进行一次规模庞大的军事行动。
经过充分准备，汉武帝命令大将军卫青、骠骑将军霍去病各带领骑兵四万、五万，以及几十万步兵转运者。
从定襄、代郡出发，深入漠北，寻找并消灭匈奴的主力，给予他们沉重打击。
匈奴单于听说汉军远道而来进行扫荡，不敢怠慢，准备以精兵在漠北等待。
卫青率领精兵出塞，不久就消灭了单于的部分兵力，同时命令李广、赵食其从东面进行策应。
到达漠北后，看到单于的军队已经布阵等待，卫青立即做出决断，创造性地运用“车骑协同”的新战术。
他命令部队用武刚车“自环为营”，以防止匈奴骑兵的突袭，然后指挥五千骑兵进攻匈奴。
匈奴的伊稚斜单于，则带领一万骑兵迎战。
双方从早上激战到黄昏，杀得难分难解。
就在日落前，突然刮起大风，卷起沙尘，使得双方无法辨别敌我，卫青趁机用轻骑分别从左、右两翼包抄匈奴。
伊稚斜单于看到汉军人马依然强大，意识到再打下去会吃亏，于是趁着夜幕降临之际，骑上一匹千里马，带着数百勇士杀出重围向西北方逃走。
匈奴军队溃散，卫青乘势追击，斩杀和俘虏了19000多名敌人。
与此同时，李广、赵食其担负着迂回截击匈奴单于的任务，日夜兼程行军，然而在大漠深处茫无涯际的荒沙，却找不到一个当地人。
由于没有向导，李广的军队迷了路。
李广焦急无可奈何，担心前进与卫青的主力军队失去联系，只好下令回军南还。
卫青在经历了殊死血战后，击溃了匈奴单于的主力。
他本希望李广能够在单于的后方，截断伊稚斜的退路，然后与汉军前后夹击，将单于围歼。
然而，北追了二百多里也没有找到李广的军队，导致伊稚斜单于最终逃脱。
卫青继续挥师前进，兵至寅颜山的赵信城，缴获了大量的匈奴粮食和军用物资，在该地休整一天，随后放火烧毁赵信城，返回国内。
到达漠南后，卫青与李广、赵食其会合。
卫青派人去询问李广军营迷路的原因，表示要向皇帝报告。
卫青派去的人劝李广，说：“您最好将责任推给赵食其，以避免受罚。”
李广为人正直，坚决不同意。
卫青听后非常恼怒，又派人催逼李广的幕僚去中军接受审判。
李广说：“他们无罪，迷路的责任在我，我自己去受审。”
他将责任全都揽在自己身上，叹息说：“我自年少从军，与匈奴大小七十余”战，想不到今天却被大将军如此催逼。
“我已年过古稀，怎能再受这样的侮辱？”
说完，他便拔剑自刎了。
旁边左右的人，无不泪如雨下。
另一边，从东路出代郡的霍去病，取得了辉煌的战绩，足以使他留名史册。
他深入两千多里，凭借兵力强大的优势，对匈奴左贤王发起了猛烈的攻击。
年轻的霍去病武艺超群，身先士卒，而左贤王已经年老，怎么是他的对手呢？
战斗不久，左贤王率领亲信弃军而逃，匈奴军队溃败。
霍去病随即率军追击，一直追到狼居胥山，歼灭了匈奴精锐部队，斩杀了北车耆王，俘虏了屯头王、韩王等三位王，以及将军、相国、当户、都尉等83人，俘虏人数高达70000多人。
他还封狼居胥，登临瀚海，向天地祭告之后，凯旋班师回朝。
漠北之战，沉重打击了匈奴的势力，从此匈奴远遁，消除了危害汉朝百余年的边患。
霍去病从此威名远扬，汉武帝非常喜欢他，下令为他建造府第，但被他拒绝了。
他的名言“匈奴未灭，何以家为”洋溢着爱国激情，激励着后人。
公元前117年，年仅24岁的霍去病去世。
汉武帝在自己的陵墓旁边，修建了一座形状如祁连山的坟墓，以表彰他在抗击匈奴方面的杰出功绩。
武帝战胜了匈奴，打通了通往塔里木盆地、中亚的商路，匈奴控制的河西走廊归属于汉朝。
从此，在中原到中亚的丝绸之路上，西汉的外交使节和商人之间的往来不断，“丝绸之路”逐渐成为中西交流的桥梁。
