后来从俘获的匈奴兵口中得知匈奴伊稚斜单于远在东方，于是汉军重新调整战斗序列。汉武帝命霍去病从东方的代郡出塞，卫青从定襄出塞。卫青大将军卫青麾下，李广为前将军，公孙贺为左将军，赵食其为右将军，曹襄为后将军。卫青考虑到前将军李广年纪已高、运气又不好，就没让他担任先锋，而是与右将军赵食其两军合并，从右翼进行包抄。卫青自己率左将军公孙贺、后将军曹襄从正面进兵，直插匈奴单于驻地。

赵信向伊稚斜单于建议：“汉军不知道厉害，竟打算穿过沙漠。到时候，人困马乏，我们以逸待劳，就可以俘虏他们。”于是下令所有的粮草辎重，再次向北转移，而把精锐部队埋伏在了沙漠北边。

卫青大军北行一千多里，跨过大沙漠，与埋伏在了沙漠北边严阵以待的匈奴军遭遇。卫青临危不惧，命令部队用武刚车（铁甲兵车）迅速环绕成一个坚固的阵地，然后派出5000骑兵向敌阵冲击。匈奴出动一万多骑兵迎战。双方激战在一起，非常惨烈。黄昏时分，忽然刮起暴风，尘土滚滚，沙砾扑面，顿时一片黑暗，两方军队互相不能分辨。卫青乘机派出两支生力军，从左右两翼迂回到单于背后，包围了单于的大营。伊稚斜单于突然发现迂回的汉军，数量众多，人壮马肥，士气高昂，大为震动，知道无法取胜，就慌忙跨上马，在数行精骑的保护下奋力突围。向西北方向飞奔逃去。

这时，夜幕已经降临，战场上双方将士仍在喋血搏斗，喊杀声惊天动地。卫青得知伊稚斜单于已突围逃走，马上派出轻骑兵追击。匈奴兵不见了单于，军心大乱，四散逃命。卫青率大军乘夜挺进。天亮时，汉军已追出二百多里，虽然没有找到单于的踪迹，却斩杀并俘虏匈奴官兵 19000多人。卫青大军一直前进到真颜山赵信城（今蒙古乌兰巴托市西），获得了匈奴屯积的粮草，补充军用。他们在此停留了一天．然后烧毁赵信城及剩余的粮食。胜利班师。

这次战役，汉军打垮了匈奴的主力，使匈奴元气大伤。从此以后，匈奴逐渐向西北迁徙，出现了“漠南无王庭”的局面，匈奴对汉朝的军事威胁基本上解除了。

卫青一生率军与匈奴作战，屡立战功，所得封邑总共有一万六千三百户。虽然战功显赫，权倾朝野，却一直未能封侯，连他部下的许多人都封侯进爵了，但卫青对此从不计较。苏建曾经劝告卫青养士以得到好名声，卫青认为只需要奉法遵职就可以了，何必去养士，去图虚名呢？由此可见，卫青不仅有关心士卒、团结部众指挥若定的大将之才，而且有以国家利益为重，善于为人处事的善始善终的政治家风度，难得难得！

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