元朔六年(前123年)漠南会战后，匈奴伊稚斜单于撤兵漠北的目的之一，是企图“诱罢汉兵，缴极而取之”。不料汉武帝却转攻河西。，使匈奴的诱兵之计落空。恼羞成怒的伊稚斜单于，于元狩三年(前120年)春发数万骑兵，分别从右北平、定襄两郡入犯，杀略干余人，企图借以激怒汉武帝，诱使汉军北进，在漠北予以歼灭。
鉴于匈奴单子本部及左贤王邦仍具相当实力并严重威胁汉朝北部边疆安全的现实，考虑到汉军经过以往多次实战的锻炼，已经积累了使用大规模的骑兵集团远途奔袭的作战经验，汉武帝决意乘河西新胜之即，加强北线进攻。元狩四年(前119年)，他下沼实行币制改革，又令“初算缗钱”，实行盐铁专卖，以筹集战争所需要的大量物力和财力。同时，与诸将商议对匈奴的作战方针。他认为：“赵信为单于画计，常以为汉兵不能度幕(漠)轻留，今大发卒，其势必得所欲。”决计利用赵信的错误判断，出其不意，攻其不备，从而确定了一个集中兵力、深入漠北、寻歼匈奴主力的作战方针。尔后，他即调集十万骑兵，命大将军卫青、骠骑将军霍去病各率5万骑出征漠北；并组织“私负从马复四万万步兵，运送物质。
元狩四年夏初，卫青、霍去病统率大军，慨然踏上了征途。为确保此战必胜，汉武帝在战前进行了周密的部署：大将军卫青率前将军李广、左将军公孙贺、右将军赵食其、中将军公孙敖、后将军曹襄，统率骑兵5万出代郡寻找匈奴左贤王决战；骠骑将军霍去病率领经过待选的“敢力战深入之士”5万骑出定襄，寻找匈奴单于的主力军决战。但队伍刚刚出发便捉获匈奴的骑哨，得知单于主力已经东移，汉武帝于是临时更改部署，将霍去病所部东调改由代郡出塞，便于寻歼单于主力，卫青所部改由定襄出发，北上进击左贤王。
赵信得知汉军北进，又为伊稚斜单于出谋划策：“汉军即度幕，人马罢(疲)，匈奴可坐收虏耳。”单于依计而行，“悉远北其物质”。将全部家属人畜物质往更远的北方转移，而将精兵部署在漠北一带，准备迎击汉军的进攻。
卫青从定襄出塞不久，从俘虏口中得知匈奴单于驻牧的地点，立刻令前将军李广与右将军赵食其合兵一处由东路前进，以掩护自己的侧翼并攻击单于军的左侧背，自己则率主力直奔单于军的主力，准备从正面迎敌。他率部向北行进干余里，穿越浩翰的大沙漠。抵达漠北后，“见单于兵陈而待”，卫青当机立断，创造性地运用车骑协同的新战术，命令部队以武刚车“自环为营”，以防止匈奴骑兵的突然袭击，而令5000骑兵出击匈奴。伊稚斜单于乃以万骑迎战。两军激战一天，末见胜败。临近日落之时，突然“大风起，沙砾击面，两军不相见”，卫青乘势派军从左右两翼迂回，将单子的阵营包围起来。伊稚斜单于“视汉兵多面士马尚强，战而匈奴不利”，遂趁夜幕降临，跨上一匹善于奔跑的精骑，率领数百壮骑杀出重围向西北方向逃去。战至深夜，汉匈双方伤亡大致相当。汉军左校点视俘虏，发现单于已在天黑之前突围脱逃，卫青立即派轻骑追击，自率大军随后跟进。匈奴军溃散。至天明，汉军追击200余里，俘斩敌军1．9万余名，但未见单于踪影。卫青乘胜向北挺进，攻入燕然山(今杭爱山南面的一支)赵信城，缴获了匈奴屯集的大批粮食和军用物资。汉军在此驻留一日，然后放火烧毁赵信城及城内未能运走的余粮，回师南下。到达漠南之后，卫青与李广、赵食其会合。李广、赵食其从东路前进后，因无向导，半道迷路而未能参战。卫青派人查问迷路的情况，曾经威震敌胆、被匈奴称为“汉之飞将军”的李广愤然对部下说：“广结发与匈奴大小七十余战，今幸从大将军出接单于兵，而大将军徒广部行回远，又迷失道，岂非天哉！遂拔刀自刎。一代名将这样死于非命，使此役的胜利大为失色。
东出的霍去病军虽然末与匈奴单于交手，但其战果也十分巨大。霍去病凭借部下兵精马壮的优势，出代、有北平后，在荒无人烟的大沙漠中长驱北进2000余里，对匈奴左贤王发动猛烈进攻。左贤王自知不是霍去病的对手，很快就率亲信弃军而逃。霍去病穷追不舍，一直追到了狼居胥山(约在今内蒙古克什克腾旗西北至阿巴嘎旗一带。一说在今蒙古乌兰巴托以东)，斩杀匈奴北车旨王，俘获屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉等83人，匈奴吏卒70443人。为了纪念这次战役，霍去病“封狠居胥山，禅于姑衍，登临翰海(今内蒙古呼伦湖与贝尔湖。一说今贝加尔湖)”团，祭告天地，庆祝胜利。
漠北之战，是汉军在距离中原最远的战场进行的一次规模最大也最艰巨的战役。汉武帝在取得河南、漠南、河西三大战役的胜利的基础上，根据汉军经过实战的锻炼积累的运用骑兵集团进行长途奔袭与迂回包抄的作战经验，利用匈奴王廷北徒之后误以为汉军不敢深入漠北的麻痹心理，决定出其不意，攻其不备，大胆地制订了远途奔袭、深入漠北、犁廷扫穴、寻歼匈奴主力的战略方针。与此同时，他又细心进行战前的准备，除集中全国最精锐的骑兵和最优秀的战将投入战斗外，还调集大批马匹与步兵，运送粮草辎重，以解决远距离作战的补给问题。而在作战中，汉军统帅又发挥了出色的指挥才能，充分利用骑兵的机动性与冲击力，不仅敢于深入敌境，而且善于迂回包抄，特别是卫青，在遭遇单于主力后，机智地运用了车守骑攻、协同作战的新战术，先借助战车的防御能力使自己立于不败之地，继而发挥骑兵迅速机动的攻击能力，迂回包抄敌军的两翼，一举击溃单于的主力，更显示出其战役指挥方面的优异才能。所有这一切，都为汉军的胜利提供了保障。
漠北之战最终以汉军的全面胜利而告终。在这次战役中，汉军虽然付出了丧失数万兵士和10余万匹马的沉重代价，但却给予匈奴前所未有的打击。匈奴骑兵损失达八九万，左贤王所部主力几乎全部被歼。伊推斜单于因与兵众失散十余日，以致于被误认为战死沙场，右谷王遂自立为单于，十几天后伊稚斜单于复出，右谷蠢王乃去号，匈奴王廷的混乱与狼狈状态由此可见其严重。由于大批有生力量被歼、大批物资丧失，匈奴单于不敢再在大漠北缘立足而向西北方向远遁，因而出现了“幕南无王廷”的局面。如果说漠南之战后匈奴单于移王廷于漠北还可以看作是一种战略转移的话，那么，漠北之战后的“幕南无王廷”则标志着匈奴势力大范围的退缩。经过这次大决战，危害汉朝百余年的匈奴边患已基本得到解决。
漠北之战是汉王朝对匈奴作战取的最大胜利，这场胜利震慑了匈奴，使匈奴大伤元气，在短时间内很难恢复，从汉建立至此遭受匈奴一百多年威胁的祸患终于得到根本的解决。但汉武帝由于连年对匈奴和西域用兵，并由于举行封禅，祀神求仙，挥霍无度，加以徭役加重，捐税增高，致使农民大量破产流亡。天汉二年（前99年），齐、楚、燕、赵和南阳等地均爆发了农民起义。汉武帝曾在轮台颁下《轮台罪己诏》“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”以表示承认自己的错误。汉朝岁至此达到鼎盛，但却开始逐渐的衰落。总体说来，汉武帝仍然是功大于过。
