战至黄昏，大风突起，沙砾扑面，两军不相见。
卫青乘势急令大军从左右两翼包抄，将匈奴军阵团团围住。
伊稚斜单于见势不妙，自料汉兵势众，难以取胜，便率壮骑数百从西北方向突围逃走。
天将黑，汉、匈两军仍在混战，死伤相当。
这时，汉军左校捕到俘虏，知伊稚斜单于已逃脱，急报卫青。
卫青立即遣轻骑连夜追击，自己率主力随后继进。
匈奴军溃散。
至天明，汉军追出200余里，未能追上伊稚斜单于，沿途歼敌万余人，进至寘颜山（今蒙古纳柱特山）赵信城（为赵信所建，故名），获得匈奴大批屯粮，补充了军队。
整休1日，尽焚其城及剩余军资而还。
此战卫青军歼敌人。
另一路，霍去病率军出代郡后，北进2千余里，越过大沙漠，与匈奴左贤王部遭遇。
霍去病指挥汉军发动猛烈进攻，大败匈奴军，俘获屯头王、韩王等3人，将军、相国、当户、都尉等83人，以1万的己方损失，歼敌人，左贤王部精锐几乎损失殆尽。
左贤王率亲信弃军逃走。霍去病挥军追杀，至狼居胥山（史称“封狼居胥”），在山上祭天，又在姑衍山祭地，得胜而回。
汉武帝对漠北战役的胜利极为满意，汉军凯旋后，他加封卫青、霍去病为大司马，从此2人各号大司马大将军、大司马骠骑将军。
汉武帝下令使骠骑将军的俸禄与大将军相等，而且再以五千八百户益封骠骑将军，其部下将官也多人封侯受赏。
由于前将军李广、右将军赵食其迷路未能按时到达，战果受损，加上单于走脱，故卫青未得益封。
卫青部下中则有西河太守常惠、云中太守遂成受赏，遂成秩诸侯相，赐食邑二百户，黄金百斤；常惠赐爵关内侯。
漠北大战，是汉武帝一朝对匈战争规模最大的一仗，双方都竭尽了全力。
这一仗，匈奴两路被歼9万余人，元气大伤，事后匈奴远遁，而“漠南无王庭”，其实力日渐衰落。
战争结果
漠北之战最终以汉军的全面胜利而告终。
在这次战役中，共歼灭匈奴军9万余人。
西汉亦损失兵力万人。
匈奴单于本部受到沉重打击，左贤王所部主力几乎全部被歼。
伊稚斜单于因与兵众失散十余日，以致于被误认为战死沙场，右谷蠡王自立为单于，十几天后伊稚斜单于复出，右谷蠡王乃去号，匈奴王庭的混乱与狼狈状态由此可见其严重。
由于大批有生力量被歼、大批物资丧失，匈奴单于不敢再在大漠北缘立足而向西北方向远遁，因而出现了“漠南无王庭”的局面。
如果说漠南之战后匈奴单于移王庭于漠北还可以看作是一种战略转移的话，那么，漠北之战后的“漠南无王庭”则标志着匈奴势力大范围的退缩。
此后，双方暂时休战，经过这次大决战，危害汉朝百余年的匈奴边患已基本得到解决。
