代郡出兵，衛青從定襄出兵。
郎中令李廣多次請求隨軍出征，武帝認為他年老，不準許；過了很久，才答應他的請求，任命他為前將軍；太仆公孫賀為左將軍，主爵都尉趙食其為右將軍，平陽侯曹襄為後將軍，都歸衛青統領。
趙信為單於謀劃說：“漢軍越過沙漠後，人馬必定疲憊不堪，匈奴可以坐收漁利，俘獲漢軍。”於是單於將糧草輜重全部運到北方很遠的地方，親自率領精銳部隊在沙漠以北等待漢軍。
大將軍衛青出塞後，從匈奴俘虜口中得知單於的駐地，便親自率領精銳部隊直奔單於，命令前將軍李廣與右將軍趙食其的軍隊合並，從東路出兵。東路路途遙遠，而且水草稀少，李廣親自請求說：
“我身為前將軍，如今大將軍卻改令我從東路出兵。況且我從年輕時就與匈奴作戰，如今才有一次機會直麵單於，我願意擔任先鋒，率先與單於決一死戰。”
衛青曾私下受到武帝的告誡，認為“李廣年老，運氣又不好，不要讓他與單於正麵交戰，怕不能實現擊敗單於的願望”；而且公孫敖剛剛失去侯爵之位，衛青也想讓他與自己一同直麵單於，立功封侯，所以將前將軍李廣調開。
李廣知道後，堅決向衛青推辭，衛青不聽，李廣無奈，不辭而別，心中十分惱怒。
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衛青率軍出塞一千多裡，越過沙漠，見到單於的軍隊列陣等待。於是衛青下令用武剛車圍成營壘，派出五千騎兵前去抵擋匈奴，匈奴也派出大約一萬騎兵迎戰。
恰逢日落，大風驟起，沙礫撲麵，兩軍相互看不見，漢軍趁機增派左右兩翼的軍隊，包抄單於。單於見漢軍人數眾多，而且士氣依然旺盛，自料無法取勝，於是乘坐六匹騾子拉的車，率領幾百名精壯騎兵，徑直衝破漢軍的包圍，向西北方向飛馳而去。
這時已是黃昏，漢軍與匈奴軍隊混戰在一起，雙方死傷相當。漢軍左校尉抓到的匈奴俘虜說，單於在天黑前已經逃走，漢軍立即派出輕騎連夜追趕，衛青率領大軍緊隨其後，匈奴軍隊四散逃走。
天快亮時，漢軍追擊了二百多裡，沒有追上單於，斬殺、俘獲匈奴一萬九千多人，隨後抵達窴顏山的趙信城，繳獲匈奴囤積的糧食，供軍隊食用。漢軍在趙信城停留了一天，將剩餘的糧食全部燒毀後，率軍返回。
前將軍李廣與右將軍趙食其的軍隊沒有向導，在沙漠中迷失了道路，落在衛青大軍後麵，沒能趕上與單於的交戰。衛青率軍返回，經過沙漠以南時，才遇到李廣、趙食其。
衛青派長史責問李廣、趙食其迷失道路的原因，催促李廣到大將軍幕府接受審訊。李廣說：“各位校尉沒有罪，是我自己迷失了道路，我現在親自到大將軍幕府遞交供詞。”
李廣對他的部下說：“我年輕時與匈奴大小七十多戰，如今有幸跟隨大將軍出征，直麵單於的軍隊，而大將軍卻調我率領部隊走迂回遙遠的東路，又迷失了道路，這難道不是天意嗎！況且我已經六十多歲了，終究不能再麵對那些舞文弄法的官吏！”於是拔刀自刎。
李廣為人廉潔，得到賞賜就分給部下，飲食與士兵共享，擔任二千石官員四十多年，家中沒有多餘的財物。他的兩臂像猿猴一樣，又長又靈活，擅長射箭，估計射不中就絕不發射。
他率軍作戰時，在缺糧斷水的地方，見到水，士兵沒有全部喝夠，他就絕不靠近水；士兵沒有全部吃飽，他就絕不進食。士兵因此十分愛戴他，願意為他所用。李廣死後，全軍將士都痛哭流涕，百姓聽說後，無論是否認識他，無論年老還是年輕，都為他流淚。
而右將軍趙食其獨自被交給司法官吏審理，應當處以死刑，趙食其出錢贖罪，被貶為平民。
單於逃走後，他的軍隊大多與漢軍混雜在一起，跟隨單於逃亡，單於很久都沒能與他的大部隊會合。他的右穀蠡王認為單於已經死了，便自立為單於。過了十幾天，真單於找到了他的大部隊，右穀蠡王才去掉單於稱號。
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