为此，汉武帝以车骑将军卫青为主帅，率领三万骑兵自朔方郡出发，攻打匈奴右贤王，并以卫尉苏建为游击将军、左内史李沮为强弩将军、太仆公孙贺为骑将军、代国相李蔡为轻车将军，全都隶属于车骑将军卫青指挥。
与此同时，汉武帝又命大行李息、岸头侯张次公率兵自右北平郡北上，攻打匈奴左部做为牵制，吸引伊稚斜单于和左贤王的注意力。
在汉朝收复河南地后，匈奴右贤王为了重新夺回该地区，便将王庭向东迁徙到了巴里坤湖一带（今新疆巴里坤县西北一带）。此后，在伊稚斜单于夺取匈奴大权后，率领匈奴各部频繁南侵，匈奴右贤王亦率军北上漠南，配合伊稚斜单于南侵的同时，意图重新夺回肥沃的河南地。为此，右贤王不仅多次发兵侵扰朔方郡，甚至攻入河南地，杀害兵民，骚扰阻挠朔方城的修建。
当时，右贤王虽然率军来到了距离汉朝更近的漠南，但其活动地区仍属自己统治辖区的腹地，距离西汉边塞达到数百里。更何况，虽然当时河南地已经丢失，但长期以来都是匈奴主攻、汉朝主守，他又何曾想过汉朝军队会主动出击，远赴匈奴腹地来进攻自己。
正因如此，在当时汉匈交战频繁的情况下，自认高枕无忧的匈奴右贤王，却依然每天逍遥快活，饮酒作乐，甚至常常喝的酩酊大醉。
不过，右贤王怎么也不会想到，早在卫青出兵之前，汉朝便已经制定了长途奔袭，直捣其本部的计划，而汉朝所依仗的，便是张骞带回的漠南地形图。张骞被囚禁匈奴长达十年，虽然由于行动受限，由他带回的漠南地形图还略显粗糙，但也比较详细的记载了匈奴各部的主要分布情况和地理地形，从而使汉军的长途奔袭成为可能。
卫青出兵后，为了达到出其不意攻其无备的效果，先是率军秘密自朔方渡过黄河抵达高阙，又于夜间潜军出高阙，经过一夜疾驰，汉朝大军顺利穿过了防守严密的汉匈交界地区，深入到了匈奴腹地。
相较于广袤的大草原，匈奴那点人口根本不够看，散居在大草原上的匈奴各部落，犹如夜空中的星辰一般稀疏。匈奴虽然是逐水草而居的游牧部落，但其各部落却也都有着属于自己的领地，其部落与部落之间则是广袤的无人区。
彼时虽然汉匈交战频繁，但匈奴腹地却相对较为安全，因此各部落也不会像边境地区那般保持长时间的大范围警戒，这就给汉朝大军的隐秘行军提供了极大的便利。因此，对于卫青统率的大军而言，在匈奴腹地行军，反倒是要比交界地区安全许多。
凭借着张骞提供的匈奴各部分布图，卫青率领汉朝大军穿行其间，根本没有引起匈奴方面的注意。
数日之后，卫青统率的三万汉军骑兵，终于在傍晚时分抵达了匈奴腹地的右贤王驻地，而右贤王对此仍然毫无察觉，依旧在王帐中饮酒作乐。其驻地也仍然是一派松散的景象，毫无大战的紧张气氛。
卫青见状，遂让狂奔了数日的将士们休整饱餐了一番，直到夜深人静之时，待匈奴人已经大多进入梦乡，卫青这才率领着汉军骑兵犹如猛虎下山一般，扑向了毫无准备的右贤王驻地。
匈奴大营之中，在大部分匈奴人都已经进入梦乡的情况下，只有少量的士兵仍然打着哈欠、无精打采的坚守着岗位，丝毫没有觉察到死神已经悄然袭来。直到原本寂静无声的夜空中，传来一阵阵密集的马蹄声，几个匈奴士兵这才清醒过来，站起身来眺望着马蹄声传来的方向，想要看清楚到底发生了什么。
片刻间，在犹如战鼓一般急促的马蹄声中，这些守夜的士兵借着月光，只见远方一片黑云迅速笼罩而来，直到汉军士兵拔出利刃，看到刀剑那冰冷反光的匈奴士兵，这才意识到是敌军来袭，慌乱中向大营示警。
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不过，一切都已经晚了。还不等匈奴人从营帐中爬出来，汉朝大军便已经犹如风卷残云一般杀入了部落，在派兵四处放火焚烧帐篷制造混乱，清剿匈奴残兵的同时，汉军主力却是直扑部落最中央的王帐。
直到王帐外围的最核心区域，汉军士兵这才遭遇到了隶属于右贤王亲军的激烈抵抗。
当右贤王被仆从自床上拉起来，慌乱之中走出王帐，抬眼望去，只见整个驻地都已经陷入了混乱，到处都是焚烧的帐篷和喊杀声，本就因为宿醉而脑袋发胀的他，甚至都没搞清楚是内部哗变，还是外敌来袭。然而，无论是哪种情况，在这种混乱的局面下，他都已经无法整军迎战了，眼下最为要紧的，还是在亲军被突破之前，先行逃命要紧。
于是，慌乱之中的右贤王，便毫无责任心的抛弃了他的部下，只带领着他的一个爱妾，在几百个精壮骑兵的护送下急驰突围，向北而去。
不得不说，右贤王逃跑的速度确实一流，轻骑校尉郭成等人率兵一路向北追了数百里，竟然都没有追上。而得知右贤王逃走后，匈奴军队亦迅速瓦解，纷纷四散而逃。
此战，汉军斩首万余、俘虏一万五千人，更是俘虏了裨王十余人，其他贵族也有一百六十余人。之后，卫青命人将将整个右贤王驻地焚之一尽，这才押送着俘虏凯旋而归。
汉武帝接到战报后欣喜若狂，还不等卫青班师回朝，便派特使捧着印信，直接到军中拜卫青为大将军，并加封食邑六千户，节制诸将，位在丞相之上，就连卫青当时年纪尚幼的三个儿子，也因此得以封侯。而随从卫青作战的公孙敖、韩说、公孙贺、李蔡、李朔、赵不虞、公孙戎奴、李沮、李息、豆如意等人，也都因功封侯，各自获赐食邑三百户至一千五百户不等。