河西之战后，匈奴右部全军覆没，其单于仍然不断率兵南下袭扰。汉武帝决心与匈奴决战。元狩四年（前119）春，召集诸将说：“翕侯赵信为单于画计，常以为汉兵不能渡幕（漠）轻留，今发大卒，其势必得所欲。”针对匈奴对形势的错误判断，汉廷制定了因势利导、击敌不备的作战策略，派大军十万，突入漠北，寻找单于主力决战。

汉军兵分两路。一路由大将军卫青指挥，统兵五万，出定襄；另一路由骠骑将军霍去病指挥，也是统兵五万，兵出代郡。汉军又备了十四万匹预备马，并以十万人运输辎重随军作战。

听到汉大军北进的消息后，赵信又向单于伊稚斜献计：“汉兵即渡幕（漠），人马疲，匈奴可坐收虏”。单于听其计，将老幼及牲畜辎重转移到更北的地方，而陈精兵以待。

卫青率军穿过戈壁在沙漠中行进两千里，遇单于率其主力严阵以待。卫青命令大军以武刚车（战车的一种）自环为营，然后派五千精兵出击匈奴。单于以万骑应战，两军大战一天。时近黄昏，暮色苍茫中“大风起，沙砾击面，两军不相见”。卫青派两支部队在大风中悄然行进，迂回到匈奴军的两翼，包围了单于的营阵。单于见到汉兵众多而战斗力尚强，自度不能取胜，乃率壮骑数百突围向西北方向逃去。卫青从俘虏口中得知单于脱围，便连夜追击。至天明，卫青深入了二百余里，仍未获单于。边进边战，歼俘一万余人，到了寞颜山赵信城（今内蒙古杭受山南端），发现了匈奴的屯粮，补充军队，休整了一天后，尽烧其城及余粟而归。

另一路霍去病率军出代郡二千余里，在狼居胥山瀚海沙漠（今内蒙古西苏尼旗一带）与匈奴左贤王军队遭遇，交战获胜，俘屯头王、韩王以下七万余人，左贤王及其将领弃军北逃，霍去病率军追至狼居胥山和姑衍山（今蒙古国乌兰巴托东）行封禅，祭告天地表示此地归汉帝国统治，乃班师回朝。(www.daowen.com)

漠北之战，匈奴受到沉重打击，军队损失达九万余人，而汉军也损失万余人，马匹十余万。

出其不意，就是趁对方没有料到时行动。漠北决战，匈奴方面对汉廷估计失误处有三点：一是以为“汉兵不能渡漠轻留”；二是汉兵“渡漠，人马疲”；三是“汉军不会大发卒”来遥远的漠北决战。因此作出“兵阵而待”、“坐收虏”的错误决策和行动，而遭到毁灭性的打击。汉廷方面则正好利用了匈奴这三点，出其不意，而“大得所欲”。

漠北之战，是汉匈战争中规模最大的一仗，汉武帝为了彻底打击匈奴，战前做了充分的准备，调集了大量的“私负从马”，而且使用了数十万步兵担任辎重转输，使大军的补给首先得到了解决。然后，武帝利用匈奴单于及赵信对形势的错误判断，因势利导，出其不意，以优势兵力深入敌腹，击敌不备，给了匈奴主力以沉重的打击，“是后匈奴远遁，而幕（漠）南无王庭”。