其实从这次领兵将领的人选，也不难看出汉武帝以内朝压制外朝的心思。四员将领中，只有李广是成名多年的老将，多年来在边地任职的他，常年与匈奴交战；公孙贺虽然也是少年从军的武将出身，但却是因为迎娶了卫子夫的姐姐卫孺，而深受汉武帝的宠信；至于卫青、公孙敖两人，则是彻彻底底的汉武帝宠臣，常年跟随在汉武帝左右的他们，乃是汉武帝一步步看着成长起来的。从领兵将领的人选上不难看出，汉武帝对于这次出征不仅寄予了厚望，而且有意用亲信取代老将掌握兵权。
被汉武帝寄予厚望的四路大军，结局各不相同。公孙敖自代郡出兵后，与匈奴大军遭遇，一番血战下来，阵亡了七千骑兵，损失过半；李广更惨，从雁门关出击的他，则遭遇了匈奴主力，结果李广不仅兵败，就连自己都被俘虏了，好在军臣单于早闻李广大名，一心想要活捉，否则恐怕李广就要战死沙场了；而公孙贺一路自云中郡出击后，却压根没有找到匈奴的军队，虽无斩获，却也无过。
不过，李广虽然兵败被擒，但他却着实胆大心细，匈奴人将他放置在两匹马中间的网上，他便躺在网上一动不动，等到匈奴士兵渐渐对他放松警惕，这才突然跳将起来，夺了匈奴士兵的战马，在数百匈奴骑兵的追击下，纵马狂奔而去，不仅成功逃回了塞内，还用夺来的弓箭射杀了数名匈奴骑兵。
四路大军之中，只有卫青率领的一路骑兵有所斩获，卫青自上谷郡出兵后，在没有遭遇匈奴主力部队的情况下，选择了避实击虚，直接率兵扑向了匈奴人的祭天圣地——龙城。
自西汉立国以来，汉匈战争始终都是匈奴主攻、汉军主守，匈奴人压根没想到汉军会深入自己腹地，因此龙城虽然重要，但留守的匈奴军队却着实不多，反倒被卫青打了个措手不及，一番交战下来，卫青斩首七百而回。
战后，由于公孙敖和李广两路兵马损失太大，两人皆被汉武帝下狱，交由廷尉治罪，全部被判处死刑，后经缴纳赎金，才被免罪为民。公孙贺一路无功无过，自然也就无赏无罚。
汉武帝为此下诏说，“夷狄背信弃义，由来已久，多年来匈奴屡次侵犯边境，朕这才不得不派诸位将领统率将士迎敌。自古以来治兵都是出则治兵、入则振旅，然而此次出兵，皆因匈奴突然入侵，我军将士多为新兵，上下尚不协调，尤其是兵出代郡的将军公孙敖和兵出雁门的将军李广，其部属素质极为低劣，校尉违命盲动，甚至弃军而逃，小吏更是屡屡犯禁。
军法有言：不勤不教，将帅之过也；教令宣明，不能尽力，士卒之罪也。如今两位将军已交付廷尉，按法论罪，如果对一般士卒也要绳以军法，使将军与士卒并罚，那就不是仁圣之心了。朕认为此次战败，普通士卒多是受到牵连，如果全部治罪，要是他们想立功赎罪、重新杀敌卫国，就没有条件和机会了。因此赦免雁门、代郡两军中的犯有一般违纪错误的士卒。”
这次出击，乃是西汉立国以来，第一次针对匈奴的主动出击，在此之前面对匈奴入侵时，虽然汉军也曾出兵迎战，但往往只是将匈奴赶出边塞了事，从未主动深入草原。此次则不然，尤其是卫青，竟然率兵直接深入草原深处，打到了匈奴腹地。
因此，虽然此战的斩获明显低于损失，但为了鼓舞军心，增强朝野信心，更为了鼓励将士们奋勇杀敌，汉武帝还是选择对卫青取得的“龙城之战”之胜利大肆宣扬，并对卫青这种敢于长途奔袭，主动寻敌交战的做法大为赞赏，卫青不仅因此战之功被加封为关内侯，更是成为了日后汉武帝对匈奴作战的主要将领。
不过，汉武帝虽然大肆宣扬“龙城之战”的胜利，但这更多是出自于政治宣传的需要，正如他在诏书中所言，此战实际上还是暴露出了汉军存在的诸多问题。
由于数十年的休养生息，此时的汉朝军队，除了长期与匈奴作战的北部边塞武装外，内地汉军由于久疏战阵，不论是士兵素质还是基层军官，相较于汉初已经出现了明显下滑，虽说面对南方越人和西南夷尚能取胜，但面对更为凶悍匈奴人，便明显不是对手了。
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正因如此，汉武帝在对匈奴持续作战的同时，也在不断提升汉军的战斗力。
先秦时期，国家军队主要都是以征兵制为主，即兵农合一的制度，百姓们平时耕地、农闲训练、轮流服役，战时则接受朝廷征发出征。这种制度虽然能够确保国家拥有足够的兵员储备，但军队战斗力却无法保证，因此战国时期列国便开始在征兵制的基础上兼行募兵制，组建脱产职业军队，作为国家的常备军，用以增强军队战斗力，例如魏国的魏武卒、秦国的秦锐士。这些职业军队不仅通过较为严格的将士选拔，确保了兵源素质，而且由于他们不用兼顾生产，只负责训练打仗，训练量也较之普通军队更大，因此战斗力十分强悍。
汉朝以来，朝廷沿用的仍是征兵制，然而由于久无战事、民心思定，导致军队战斗力急速下滑。为此，汉武帝便开始在征兵制的基础上再度兼行募兵制，即从农民、流民、特赦罪犯、放免奴隶中，选取身体好、胆量大、技能优的“勇敢士”从军，以充实朝廷的常备军，作为朝廷出征的主要军事力量。
此外，汉初时期，军队主要装备的武器乃是汉剑，然而剑由于双面开刃并不利于马上作战，且不利于劈砍、易折断，导致汉军士兵在与匈奴骑兵的近身格斗中往往处于劣势，进而导致大量伤亡。
为此，汉武帝开始学习匈奴人，着手以刀取代汉剑装备军队，在当时冶铁技术的支撑下，进而催生出了最利于砍杀的环首刀，再加上强弩铁戟的长短程配合，极大加强了汉骑兵的攻击力，而铁制铠甲的逐渐普及，则极大增强了士兵防御力。