提议让伊稚斜单于搬到漠北暂时躲避的自次王，其实就是那个投降的匈奴人赵信。虽然他原本就是匈奴人，投降过汉朝，现在又投降回了匈奴，按中原那些正人君子的标准来看，他的道德是有问题的，但这并不影响赵信在单于心中的地位。赵信投降匈奴后，伊稚斜单于为了拉拢他，破格授予他“自次王”的称号，意为仅次于单于自己的王，还把自己的姐姐嫁给他做妻子，并在大漠深处筑了一座城池给他居住，名曰“赵信城”。
得了这么多好处，赵信死心塌地地为伊稚斜单于出谋划策。他久在卫青帐下听命，对大将军的作战风格和习惯知之甚详，依他的了解，在当时落后的后勤运输条件下，汉军的作战半径不可能远达蒙古大漠以北的地区，既然最近大汉屡战屡胜，那匈奴就要先避其锋芒，保存力量以图再战。
赵信毕竟常年只在一线战场作战，他准确地估计了汉军的作战能力，却低估了刘彻战斗到底的决心。开汉以来，汉匈关系一直都是匈奴人高压一头。高祖、文帝和景帝，哪个不是圣明一时的君主，然七八十年间，大汉军队屡屡被匈奴骑兵玩弄于股掌之中。好不容易等到他刘彻掌权，耗费巨大的心血方才一扫以往汉军在作战中的颓势，岂能让匈奴人说走就走？要走也要先把以往的一切连本带利地还回来！现在，伊稚斜单于打不赢了就撤出漠南，刘彻却准备连漠北也不让他待了，要搬家就直接搬回姥姥家去。
然而，赵信的计谋也不无道理。兵法常说：“兵马未动，粮草先行。”如果没有足够的后勤补给，以常规部队行军所携带的粮草来看，军队是不可能走太远的，尤其还要横跨沙漠。军队再牛，士兵总得吃饭喝水吧，马也总得吃草吧？即便是忍饥挨饿过了沙漠，这样的军队在战场上还能有什么战斗力？这不就是古人说的“千里馈粮，士有饥色”，虽有精兵良将，又岂能不饮不食？
然而，以上种种只是对常人而言，毕竟古人又云：“成非常之事者必非常之人。”刘彻就是这么一个非常之人。
为了彻底解决北逃的匈奴，刘彻下令，要求有关部门倾全国之力做好后勤保障工作，不管是人挑、马驮，还是牛拉（正是牛牵马拽，无所不用其极），都要把粮草送过沙漠，保证作战部队到了漠北后一样有强大的战斗力。
元狩四年（公元前119年）春天，经过充分的准备后，刘彻决定发动十万骑兵，以步兵及私从者数十万作后勤保障，分东西两路由定襄和代郡出发，誓要一鼓作气彻底解决匈奴。
这将是一次规模和困难都前所未有的出征。军队要两路齐出，主帅当仁不让就是卫青和霍去病这舅甥俩。在原来的计划中，东路军的主帅是大将军卫青，西路军的主帅是骠骑将军霍去病，但因为出发前从捕获的匈奴人口中得知伊稚斜单于可能在东边，为了让霍去病立大功，刘彻不仅把作战能力强的士兵都派给了霍去病，还临时互换了东西两路军。这显然是在霍去病和卫青之间厚此薄彼，而且临时互换两路军又犯了兵家大忌，两者都为这次出征定下了一个不完美的基调。
虽然事先做了调整，但事实仍打乱了刘彻的计划，伊稚斜单于还是和卫青撞了个正着。汉军如此大规模的行动根本不可能隐蔽得了，当伊稚斜单于得知汉军即将超越极限、横跨大漠来进攻时，他早早地就集结好了精兵，准备等着疲惫不堪的汉军出现在漠北，然后看一场好戏。古代人都是迷信上天的，但这次劳动人民靠着意志、鲜血和汗水，用实践证明了人能胜天的道理。汉朝的大军克服了千里荒漠的天然屏障，如期出现在了蒙古沙漠的北边。
伊稚斜单于终于看到了他等待已久的敌人，但他想象中汉军人困马乏、衣不蔽体、四处躺倒、狠命休息、混乱不堪的景象并没有出现。他所看到的依然是一支阵容整肃的军队，尽管他们看上去似乎有些疲乏，但他们的精神依然振奋，目光仍如头顶的烈日一般炽热。伊稚斜单于不信这个邪，他认为这只是汉军制造出来的假象，他相信没有一支军队在横跨千里沙漠之后未经休息却依然能保有战斗力，他要先下手为强，一举击溃汉军的意志。
然而，还没等伊稚斜单于这边有动作，汉军已经先动了起来。只见卫青一挥手，一辆辆匈奴人从未见过的奇怪车辆就被汉军的士兵推到阵前，排成了阵势。这是卫青为这场战斗精心准备的秘密武器，他相信这一武器能为赢得这场战斗增加重要的砝码。这种秘密武器有个虎气的名字——武刚车。
尽管皇帝事先把肥肉留给了外甥，卫青仍然十分重视这次出征，知道这次是失败不得的。他吸取了元朔六年（公元前123年）出征时的经验教训，仔细地做了很多功课，最后终于从孙武和吴起的兵法古籍中复原了武刚车这种传说中的器械。
武刚车每辆长两丈，宽一丈四，头顶有盖，侧有护栏，外绑长矛，内藏大盾。行军的时候，武刚车是运输工具，可以运送粮草和士兵；战斗的时候，武刚车外面蒙上牛皮，再配上弓箭和长矛，就是一件犀利的器械。有人胡乱形容，说它是古代的坦克，其实不然，否则卫青只需命令武刚车阵碾轧过去，匈奴人逃得慢的定成肉糜。说到底，这是一件用于防守的器械，车上装有盾牌和浸了水的牛皮，寻常的弩箭和短矛根本奈何不了它，而面对敌人，距离较远时，藏在车里的士兵可以用弓箭去射，离近了就可以用长矛去戳，在防守时端的是一个不可多得的综合火力平台。
虽然皇帝提供的强大的后勤保障能让士兵们抵达漠北，古籍中记载的武刚车能让将士们有一道可靠的屏障，但是，要想战胜敌人，最后还是要靠卫青自己的临场应变。卫青在队伍中精心挑选了五千名最有战斗力的士兵打先锋，让这五千人对匈奴人发起冲锋，余下的士兵只有一件重要的事情要做——休息。
一连跑了一千多里路的汉军居然先发动了进攻，这不是欺负他匈奴无人吗？伊稚斜单于哪里肯答应，他于是也指挥手下将军率一万骑兵向汉军阵地发起反冲锋，誓要先赢一阵。
这下伊稚斜单于就中卫青的计了。假如这时候匈奴人全军突击，卫青打先锋的五千骑兵肯定支持不住，汉军就要全力防守。如果是这样的话，早就以逸待劳多日的匈奴人应该会占据优势，而现在，只有五千对一万，汉军虽不能保证获胜，至少拖住对手还是可以做到的。
就这样，匈奴的一万骑兵和汉军的五千先锋在两军阵前展开了激烈的厮杀，匈奴骑兵中若有冲到汉军主力阵前的，就会被武刚车里射出的利箭所射杀，偶有躲过箭雨冲到近前的，身上也被长矛戳出了窟窿。看到汉军居然有如此利器，匈奴的大部队更是不敢妄动，战斗从上午打到了中午。
在这关键的时候，风又来了。
有人似乎很奇怪，怎么起风了？这其实很好解释，尽管两千年前没有发达的工业，然而，沙漠化地区在什么时候都是存在的，尤其这里还是蒙古大漠的边缘，一年刮几次沙尘暴并不稀奇。只见沙尘暴一起，飞沙走石，遮天蔽日，能见度瞬间降到了数米以内，狂风卷着沙砾劈头盖脸地打过来，双方的将士甚至连眼睛都睁不开，面对面都看不到人。虽然双方手中有杀人的利刃，心中有刻骨的仇恨，却也只能暂时掩面躲避风沙的袭击，战斗似乎就要暂时告一段落了。(www.xing528.com)
越是发生意外的情况，越是考验主帅随机应变的能力。伊稚斜单于率部退到漠北多时，没少受沙尘暴的苦，每次风沙一起，匈奴人就得赶快扎紧帐篷的帘子，等待沙尘暴过去，这让伊稚斜不经意间养成了一个习惯：沙尘暴来了，那就等等看。但卫青可不想等，他的军队本来人数就不占优势，在大漠中行军时又分出去了一万人，原本是要当奇兵用的，可出了大漠这支队伍就没了踪影，卫青手头上的士兵因此就更少了。如果现在不能一鼓作气吃掉对手，等匈奴摸清自己的底细，到时候再想取胜就更加困难了。正好这时候沙尘暴骤起，卫青马上命令休息了半日的大部队开始行动，骑兵们顶着漫天的狂沙从左右两翼包抄了匈奴的大部队。
这边汉军两翼齐出，那边的匈奴人却因为单于的等待而迟迟没有行动，待到风沙稍缓和，伊稚斜才发现，他这一等就等出了大问题：汉军的主力差不多已经把匈奴的军队围住，这时候想走也走不了了。伊稚斜只能指挥军队全力迎击汉军，双方又是一场恶战。
这时候，汉军虽然几乎包围了匈奴人，但天时地利人和都不在他们这边，其实占不到多少便宜，要想取得胜利，能依靠的只有士兵们的意志。兵家常言：“用兵之道，攻心为上，攻城为下；心战为上，兵战为下。”卫青知道，这次要想击败匈奴，就必须先击垮他们的意志。当然，可能到了这份儿上，卫青也无法可想了，任何策略在短兵相接的肉搏中都会失去意义，他只能寄希望于汉军战士能咬牙坚持住，等待对手的意志先垮下来。
好在，汉军战士没有让他们敬爱的大将军失望，尽管他们的身体已经疲惫不堪，但他们的意志依然坚强，仍可以勇猛地冲上去和敌人厮杀，毕竟他们或家破人亡，或妻离子散，或丧兄失长，他们一路上没少喝咸沙窝子里的水，现在又吃了满口的黄沙，全是因为眼前这群匈奴人！
要报新仇旧恨，就在此一举！
双方从日中又一直杀到了日暮时分，两军的死伤都差不多，但伊稚斜终于先顶不住了。他或许在想，自己面对的这是一群什么人啊？！他们的精神分明已经超越了肉体！
要远离这群疯子！
这可能是伊稚斜离开战场前的最后一个念头，意志已经崩溃的他没有对仍然在战斗的军队发布任何命令，只率着几百亲随，趁着黄昏从西北溃围而去。
单于跑了，一开始匈奴人还没反应过来，又过了一会儿，太阳的余晖渐渐减弱，一些人突然发现他们的单于不见了。“单于跑了！”的消息以比沙尘暴还快的速度传播着，整个匈奴军队立即土崩瓦解，士兵四散奔逃。
前一秒还在拼死反抗的敌人突然之间丢盔弃甲，四处奔逃。卫青意识到，匈奴方面肯定出问题了，等到手下抓来两个俘虏一问，才知道伊稚斜早跑了。卫青不敢懈怠，马上命令轻骑兵在前觅路追赶，大军也不做停留，一路尾随前进。漠北好歹是匈奴人的主场，伊稚斜又逃跑在前，汉军虽连夜追出二百多里地，终究还是让他跑了。
汉军一直追到第二天天明时分，当他们来到窴颜山下时，彻底失去了匈奴人的踪迹。单于筑的赵信城就在窴颜山上，这时候城中早已没了人影，只有匈奴人还没来得及运走的大量粮草辎重。看到再也无望追上伊稚斜单于，卫青只能叹息，他和匈奴作战十年，虽然未尝一败，但也是第一次能和匈奴单于正面交锋，这次让伊稚斜跑掉了，天知道什么时候才有第二次机会。
大军在赵信城逗留了一日后，卫青决定撤军。临走前，他下令将匈奴人囤聚在城中的粮草一部分充作军需，剩下的一把火烧个干净，然后带着一万九千多匈奴人的首级撤回了定襄。
伊稚斜虽然保住了性命，但好不狼狈。他只顾没命地逃窜，竟和自己的王庭失去了联系，待到从战场上撤回的匈奴散兵游勇重新在单于王庭聚集后才发现，原来谁都不知道伊稚斜单于去哪儿了。国不可一日无君，匈奴的右谷蠡王于是便自立为单于，直到十多天后伊稚斜才回到王庭，并重新掌管了大权。
这边匈奴的精兵主力以逸待劳尚且被汉军的西路军击溃，那边霍去病率领的东路军更加势不可当。霍去病本就是冲着伊稚斜去的，当得知单于不在东边时，他多少有些失望。失去了主要目标后，霍去病干脆哪里匈奴人多就往哪里去。他手下皆是从全国挑选出来的最精干的士兵，全军没有一个副将，只听霍去病一人指挥。霍去病带领这五万骑兵出了代郡后横冲直撞，跨大漠，渡章渠，翻山越岭转战两千多里，所向披靡。匈奴的精兵主力都被卫青吸引到了西边，东边的这些匈奴杂王根本不是霍去病的对手。东路军策马狂奔，杀人如砍瓜切菜一般，直杀到匈奴人听到霍去病来了，连卧床多年的病秧子也马上跳起来逃命。
一路上死在东路军刀下的亡魂不计其数，光匈奴部落的王就有三人，将军、相国、当户、都尉总计八十三人，有数的人头就有七万零四百四十三颗之多。古人认为，海是地的尽头，东路军于是一直杀到了瀚海（大概是贝加尔湖）边上，直到方圆百里之内再也没了匈奴人才罢休。
霍去病率领的东路军走到这里，可以说是他军事生涯里最大的一次胜利。接着，他代替皇帝在狼居胥山顶祭天，在姑衍山脚下祭地，完成了一套象征性的封禅仪式，随后又登高远眺一望无际的瀚海，大有“北临大漠，以观瀚海”的感觉。做完了这一切，霍去病志得意满，方才带领军队南归。
卫青在西边击溃了匈奴单于，霍去病在东边杀得匈奴人只顾逃命，一次出征就消灭匈奴战士九万人，这对总人口只有数十万的匈奴人而言，几乎是毁灭性的打击。为了表彰两人的功绩，刘彻特地设立了“大司马”一职，由大将军卫青和骠骑将军霍去病共同担任。
元狩四年（公元前119年），刘彻赢得了汉朝开国以来对匈奴作战的最大胜利，大汉的军事实力也达到前所未有的巅峰，甚至在之后的数百年间，也一直被追赶，从未被超越。
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