发李广去了，自己便催兵北进，行千余里度过沙漠。
单于探得汉兵来攻，却也惊慌，即忙准备迎敌。赵信献计道：“汉兵度漠远来人马疲乏，我可坐待其至信手擒来。”单于便将辎重送往北方，自率精兵驻扎漠北，远见汉兵到来，列阵以待。卫青防备胡骑驰突，下令用武刚车环绕为营。武刚车乃是一种兵车，车箱四围皆有板壁，上安小窗以备瞭望，旁开箭眼，四围环列刀枪，敌骑不得冲突，弩箭不能贯穿，算是当日行军利器。卫青立定营盘，先遣马队五千前往挑战，匈奴亦遣万骑迎敌。两阵对圆正待交战，此时日已将没大风忽起，吹得尘沙滚滚扑人面目，两军对面不能相见。卫青复遣骑兵数万分为左右翼前进，包围匈奴。两下交战良久，天色已晚，单于见汉兵甚多士马精强，趁着薄暮乘坐六骡，率领劲骑数百突围而去。汉兵不知，仍与胡兵力战至夜，彼此暗中相持，杀伤大略相等。
后来汉军左校捕得胡人，据说单于未昏之时早已逃去。卫青急发轻骑乘夜往追，自率大军继进。此时胡兵也战得筋疲力尽各自散去。卫青意欲追捉单于，率领将士疾驰一夜，马不停蹄直到天明，行有二百余里，竟不见单于踪迹。又前行至赵信城，得匈奴积谷。卫青入城驻军一日，人马皆得饱餐。到得次日，卫青见匈奴并无动静，不敢再行深入，遂传令班师。所余积谷尚多，于是放起一把火来，将赵信城烧个罄尽，然后起行。
卫青行至沙漠之南，方与李广、赵食其军队相遇。原来李广、赵食其由东路进兵，路径不熟，半途迷惑失道，以致迟误日期，此时方到。李广见过卫青，回到自己军中。卫青遣长史持了酒醪干饭赠与李广，问二将失道原因，并说要上书天子具报此种情形。李广明知卫青有意为难，未即对答。长史见李广不答，便到李广幕府内责备军吏，催其即作报告。李广闻知愈怒，便对长史道：“诸校尉无罪，乃我失道无状，我当自行上簿便了！”说完即趋至幕府流涕对将士道：“广自结发从戎，与匈奴大小七十余战，有进无退，今从大将军出征匈奴，大将军令广东行，迂回失道岂非天命！我今已六十多岁，死不为夭，怎能再对刀笔吏乞怜求生？”说罢便拔出佩刀自刎而死。一班将士出其不意抢救无及，便即为广举哀。后人有诗叹道：
老不封侯命可知，
年衰何必再驱驰？
漠南一死终无益，
翻使千秋得指疵。
却说骠骑将军霍去病，率领大军由代郡出塞，行二千余里，正遇匈奴左贤王率众三十余