一个月后，卫青再度率领大军出定襄。这次他们较为幸运地遭遇了大队匈奴人马，双方展开了激烈的战斗，汉军成功斩敌一万多人。
为了扩大搜寻范围，卫青命令熟悉匈奴环境的赵信和苏建合兵一处，分兵一路出发搜寻匈奴人。但由于消息传递不畅，苏建一路不幸被匈奴主力包围。三千汉军与数万匈奴骑兵展开了殊死搏杀，激战持续了一整天。汉军渐渐不支，几乎全军覆没，赵信原本就是匈奴降将，见匈奴军势众，内心发生动摇，最终率领八百残军投降匈奴，而苏建则单骑突围逃回汉军本部。
不过，此战中也有一个亮点。年仅 17 岁、第一次随军出征的骠姚校尉霍去病，率领八百骑兵，如入无人之境，追击匈奴数百里，成功突袭了一处匈奴部落。他的部队斩杀匈奴两千余人，还斩杀了匈奴单于的祖父若侯产，并俘虏了匈奴单于叔父罗姑及相国、当户等高官，而后全身而返。汉武帝因其功冠全军，加封其为冠军侯，骠骑将军，食邑两千户。
虽然卫青两出定襄共计歼灭匈奴一万九千多人，但汉军也损失惨重，且并未找到匈奴单于主力。苏建和赵信部的三千人被匈奴主力围歼，原本是匈奴降将的赵信叛变投降匈奴。而匈奴伊稚斜单于在赵信的建议下，了解到汉军骑兵的出击距离，认为漠南草原都在汉军的打击范围内，于是采取了主动躲避汉军攻击的战术，撤出漠南草原，退回到大漠以北，从此漠南无王庭，汉匈双方的进攻都难以取得显着效果。
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