卫青指挥公孙敖、公孙贺、赵信、苏建、李广及李沮六将，分领六路大军，自定襄出发，北进数百里，斩首数千级而还。战后，全军返回定襄休整，一个月后再次出塞，斩首匈奴军一万多人。但苏建、赵信所部三千余骑遭遇单于主力，赵信力战后领兵投降匈奴，苏建独自逃回。因这场战役“失两将军，亡翕侯赵信，功不多”，故而卫青仅获赏千金。此外值得一提的是，卫青的外甥霍去病在此战中表现突出，被封为冠军侯。
汉武帝以十四万匹战马及五十万步卒，作为后勤补给兵团，命卫青与霍去病各率领五万骑兵，步兵和运输物资的军队十万余人，兵分两路，跨漠远征，共同打击匈奴。汉军原计划由霍去病出定襄攻击，后从俘获的匈奴兵口中得知伊稚斜单于在东方，于是霍去病东出代郡，卫青西出定襄。
卫青大军出塞一千多里后，意外与伊稚斜主力遭遇，卫青命前将军李广和右将军赵食其两军合并，从右翼进行包抄。自率左将军公孙贺、后将军曹襄从正面对抗单于主力，卫青下令让武刚车排成环形营垒，又命五千骑兵纵马奔驰，抵挡匈奴，匈奴也有大约一万骑兵奔驰而来。
恰巧太阳将落，刮起大风，沙石遮蔽天日，两军都无法看见对方，汉军左右两翼急驰向前，包抄单于部。伊稚斜单于见汉军势众，战士、战马强大，若是交战，对匈奴不利。因此，在傍晚时单于就乘着六头骡子拉的车子，同大约几百名壮健的骑兵，径直冲开汉军包围圈，向西北奔驰而去。汉军继续与匈奴人厮杀，杀伤人数相当。
汉军左校尉捕到匈奴俘虏，说单于在天未黑时已离去，卫青遂派轻骑连夜追击，自率主力跟随其后。匈奴军四散奔逃。直到天快亮时，汉军已行走二百余里，未追到单于，到达了窴颜山的赵信城，获得匈奴积存的粮食以供军队食用。汉军留住一日，把城中剩余的粮食全部烧掉才回师。此战，卫青所部总计斩杀匈奴一万九千余人，大军回营时，才遇到迷路失期未来支援的李广、赵食其部。
漠北之战击溃了匈奴在漠南的主力，逐渐向西北迁徙，十几年内再无南下之力。汉军占领了朔方以西至张掖、居延间的大片土地，保障了河西走廊的安全。而汉军损失也很大，出征的十四万马匹仅三万余匹返回，汉军士兵、马匹损失十几万，兵器甲仗等物水陆运输的费用还都不计算在内，于是倾尽库藏钱和赋税收入仍不足以供给战士的费用，汉武帝设置武功爵，以筹集军费。
凯旋回朝后，卫青没有得到增封食邑的赏赐，所部将士除西河太守常惠、云中太守遂成外，也没有受封的。后来，为表彰卫青、霍去病的战功，武帝分别加封二人为大司马大将军、大司马骠骑将军，共同管理日常的军政事务，以代太尉之职。又经两次益封，卫青的食邑总计达到一万六千户至三万户之间。
平阳侯曹寿死后，平阳公主改嫁汝阴侯夏侯颇，夏侯颇因罪自杀，武帝遂命卫青娶平阳公主为妻。卫青病逝，汉武帝为纪念他的彪炳战功，在茂陵东北修建了一座阴山形状的墓冢，谥号为烈。
卫青，虽战功卓着，地位尊崇，但不以权势树党，不干预朝政，勤恤士卒，颇得人心。一生七次出击匈奴，收取河南地，为汉武帝时期汉朝在汉匈战争中，所取得的胜利作出巨大的贡献。
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