且不敢輕易在沙漠中久留。現在我們大規模地派出士兵，肯定能實現我們的目標。”於是準備了十萬匹馬，讓大將軍衛青、票騎將軍霍去病各自率領五萬騎兵，那些私自跟隨的馬匹又有四萬匹，負責轉運糧草的步兵跟在大軍後麵，有幾十萬人。而且那些敢於奮力作戰、深入敵境的士兵都歸霍去病統領。一開始計劃讓霍去病從定襄出發，正麵迎戰單於，後來抓到俘虜說單於在東邊，就改讓霍去病從代郡出發，讓大將軍衛青從定襄出發。郎中令李廣多次親自請求出征，漢武帝認為他年紀大了，不答應；過了很久才答應他，讓他做前將軍。太仆公孫賀做左將軍，主爵都尉趙食其做右將軍，平陽侯曹瓤做後將軍，他們都歸大將軍衛青統領。趙信為單於謀劃說：“漢軍已經越過沙漠，人馬都很疲憊了，我們匈奴就可以坐等他們，輕易地俘虜他們了。”於是單於把輜重都遠遠地運到北方，隻帶著精兵在沙漠北邊等待漢軍。
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大將軍衛青出了邊塞後，抓到俘虜得知了單於的駐紮地，就親自率領精銳部隊直奔那裡而去，同時命令前將軍李廣所部與右將軍趙食其的部隊合並，從東路出擊。東路迂回繞遠，而且水草稀少。李廣主動請求說：“我原本是前將軍，如今大將軍卻把我調去走東路。況且我從年輕時就開始與匈奴作戰，到現在才有一次與單於正麵交鋒的機會，我希望能在前麵，先和單於決一死戰。”大將軍衛青其實暗中受到漢武帝的告誡，說“李廣年紀大了，命運不好，不要讓他與單於對陣，否則恐怕不能實現我們的願望”。而且公孫敖剛剛失去了侯爵，衛青也想讓公孫敖和自己一起與單於對陣，所以才調開了前將軍李廣。李廣知道了這些內情，堅決地向大將軍衛青辭謝；但衛青沒有聽從，李廣沒有向衛青告辭就起身出發了，心裡非常惱怒。
大將軍衛青出塞一千多裡，越過沙漠，看到單於的軍隊已經擺好陣勢等著。於是大將軍衛青下令用武剛車環繞起來作為營壘，然後派出五千騎兵去抵擋匈奴。匈奴也派出了大約一萬騎兵。這時太陽快要落山了，大風刮了起來，沙塵撲麵而來，兩軍都看不清對方，漢軍又派出左右兩翼的部隊包抄單於。單於看到漢軍人數眾多，而且兵馬還很強壯，自己估計打不過漢軍，於是就乘著六匹騾子拉的車，帶著幾百名精壯騎兵，直接衝破漢軍的包圍，向西北方向逃走了。當時天色已經昏暗，漢軍和匈奴軍相互混鬥，雙方死傷人數大致相當。在軍中的左校抓到俘虜說，單於在天黑前就逃走了，漢軍於是派出輕裝騎兵連夜追擊，大將軍的部隊也跟在後麵，匈奴的士兵也四處逃散。等到天亮的時候，漢軍追了二百多裡，沒有抓到單於，但是斬殺和俘虜了匈奴一萬九千人，於是到達了窴顏山趙信城，找到了匈奴儲存的糧食來供應軍隊，停留了一天，把城中剩下的糧食都燒了才回來。
前將軍李廣和右將軍趙食其的軍隊沒有向導，迷路了，落在大將軍後麵，沒能趕上和單於作戰。大將軍衛青收兵返回，經過沙漠南部時，才遇到了這兩位將軍。大將軍派長史責問李廣、趙食其迷路的情況，還急切地要求李廣到幕府去受審對質。李廣說：“校尉們都沒有罪，是我自己迷路了，我現在就親自到幕府去受審。”李廣對他的部下說：“我從年輕時就開始與匈奴作戰，大大小小打了七十多仗，如今有幸跟隨大將軍出征與單於的軍隊交戰，可是大將軍卻把我調到繞遠的東路，而且我又迷失了道路，這難道不是天意嗎！況且我已經六十多歲了，終究不能再去麵對那些刀筆小吏！”於是拔刀自刎了。李廣為人廉潔，得到賞賜就會分給部下，飲食都和士兵們在一起，做了四十多年二千石的官，家裡卻沒有多餘的錢財。他的手臂像猿猴一樣靈活，善於射箭，估計射不中就不會放箭。他帶兵的時候，在缺乏物資的地方，發現了水，士兵們沒有都喝過，李廣就不靠近水；士兵們沒有都吃過，李廣就不先吃。士兵們因此愛戴他，願意為他效力。等他死了，全軍都哭了。百姓們聽說了這件事，無論認不認識他，無論年老的還是年輕的，都為他流淚。而右將軍趙食其單獨被交給了執法官吏，判了死罪，後來出錢贖罪，成了平民。
單於逃走後，他的士兵常常和漢軍相互混雜，跟著單於跑，單於很久都沒有和他的大部隊會合。匈奴的右穀蠡王以為單於死了，就自立為單於。十多天後，真單於又找到了他的部眾，右穀蠡王才去掉了單於的稱號。
票騎將軍霍去病的騎兵和輜重車數量與大將軍衛青的軍隊相當，但是沒有副將，他把李敢等人都任命為大校，相當於副將，從代郡、右北平出發，向北行進了二千多裡，越過了大沙漠，直接與匈奴左部的軍隊交戰，擒獲了屯頭王、韓王等三人，以及將軍、相國、當戶、都尉等八十三人，在狼居胥山舉行了祭天封禮，在姑衍山舉行了祭地禪禮，登上了翰海。一共捕獲匈奴七萬零四百四十三人。漢武帝給票騎將軍霍去病增加了五千八百戶的封邑；又封他部下的右北平太守路博德等四人做了列侯，給從票侯趙破奴等二人增加了封邑，校尉李敢被封為關內侯，賜予食邑；軍中的官吏和士兵被封官、得到賞賜的人也很多。而大將軍衛青沒有增加封邑，軍中的官吏和士兵也都沒有被封侯的。
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