公元前119年，汉武帝与诸将召开战前会议，部署军事举措。
汉武帝对手下将领们说：“自从赵信投降匈奴后，匈奴人普遍认为我们汉军缺乏在沙漠长途行军作战的能力。所以朕此次大规模出动兵马，就是要达到跨越茫茫大漠歼灭匈奴的目的！”
于是汉武帝调拨十万匹强壮的骏马，让大将军卫青和骠骑将军霍去病各自统率五万骑兵出征匈奴。
为了充分保障汉军的后勤供应，出征将士们不仅私人携带有四万马匹随军转运辎重，另外还有数十万步兵和民夫跟在大军后面负责运输粮草。
自从霍去病从征以来屡建战功，所以汉武帝对其十分器重。霍去病所属部队的将士、马匹和兵器也都是经过精心挑选。这次攻打匈奴也不例外，凡是敢于深入沙漠与匈奴作战的精锐士兵都归霍去病统属。
霍去病出征前得知单于主力所在，便打算从定襄出塞与单于对决。后来从抓获的俘虏口中得知单于主力在东边，于是汉武帝命令霍去病改为从代郡出兵，而让卫青从定襄方向进攻匈奴。
将军李广多次向天子请缨随军征战，汉武帝认为李广年事已高，始终没有接受李广的请命。后来经不住李广的再三恳求，过了许久才任命李广为前将军，随同大将军卫青出战。另外左将军公孙贺，右将军赵食其和后将军曹襄都归卫青节制。
匈奴听说汉军此次进兵深入沙漠，赵信对单于说：“等汉军走出沙漠后，劳师远征必定人困马乏，而我们匈奴大军以逸待劳，汉军不久则尽为我所擒矣！”
于是单于坚壁清野，将辎重粮草向最北面迁徙，使汉军野无所掠，进而迫使汉军只能向北追击。而匈奴精锐却在大漠以北广大区域以重兵设下陷阱，安心等待钻入圈套的汉军疲惫之师。
卫青出塞以后，从匈奴俘虏口中获悉了单于动向，于是亲自率领精兵奔袭。同时命令李广和赵食其从东路包抄匈奴，截断单于退路。
然而东路不仅迂回绕远，沿途又多荒漠缺乏水草，不利于行军。所以李广对卫青说：“陛下既已任命末将为前将军，我自当为大军先锋。为何大将军却让我率部从东路策应主力呢？
况且我从年轻时起就与匈奴作战，如今好不容易盼来了和单于面对面接战的机会，所以末将恳请充当大军前锋，哪怕埋骨沙场也死而无憾了！”
卫青在出征前，汉武帝特意叮嘱说：“朕虽拜李广为前将军，但李广如今垂垂老矣，而且运气不佳。所以不要让李广为大军先锋，以免不能完成此番出兵的战略目标。”
恰巧卫青的好友公孙敖因为上次出征获罪而被贬为庶民，所以卫青想让公孙敖和自己一起进攻单于主力，以便公孙敖立功赎罪。
这才有了前文卫青让李广走东道的桥段，李广对此心知肚明，所以一再要求出任前锋。可是卫青态度坚决执意不肯，李广见已无回转的余地，于是不辞而别，而且临走时怒形于色。卫青把一切看在眼里，对此极为不满。
卫青离开边塞亲率大军跋涉一千多里，历尽千难万险终于走出沙漠。还没等汉军喘息片刻，忽听得不远处战马嘶鸣，抬眼望去，只见单于大军排山倒海呼啸而来，卷起漫天黄沙。
卫青见状，当即下令将战车环绕为营，阻挡匈奴骑兵冲击，然后精选五千骑兵与匈奴展开猛烈对攻。此时天色将晚，突然刮起狂风飞沙走石，混战在一起的双方士兵根本看不清近在咫尺的敌军模样，卫青便命令汉军两翼包抄。
双方血战多时，汉军越战越勇，匈奴渐渐落了下风。单于见汉军人多势众，而且并没有因为长途行军而削弱战斗力。暗自思忖没有力量战胜汉军，倘若再不撤出战场，恐怕有性命之忧。于是单于留下部众继续与汉军拼杀，自己则匆忙带领数百人冲出重围，向西北方向拼命逃窜。
就在卫青满以为会擒获单于建立不世之功时，忽听手下来报，从俘虏口中得知单于在黄昏之前便已逃离，于是派出轻骑兵连夜追赶。卫青见再打下去也没有丝毫意义，便率大军紧随其后搜捕单于。匈奴余部见汉军已经主动脱离战场，不久也撤兵而还。
一夜间，汉军骑兵在大漠中疾驰二百里，仍然不见匈奴单于踪影。汉军此战斩杀匈奴一万九千人，只因走脱了单于，大军只得悻悻而归。卫青又指挥军队攻占颜山的赵信城，在此缴获匈奴大量粮草，正好作为汉军给养。汉军在赵信城短暂休整一天，然后把剩余的匈奴辎重焚烧一空。
李广和赵食其的东路人马因为没有向导，所以迷失道路，错过了和卫青夹击匈奴的战机。正当卫青率军班师途中，在沙漠以南与东路军相遇。卫青因为东路军没有及时赶来，致使单于逃脱而懊恼不已，此时见到姗姗来迟的李广和赵食其，不禁怒火中烧。
卫青派人责问李广迷失道路的原因，并让他火速到卫青大帐内听候讯问。李广对传信的人说：“我手下校尉无一人有罪，迷失道路完全是我一人的过失，我自己去大将军那里接受审问。”
信使走后，李广悲