袭击右贤王部，斩断了匈奴单于的一条臂膀，但单于主力却依旧未损，为了报复，更为了扭转战局，伊稚斜更加频繁地南下侵扰 。于是元朔六年（前123）二月，第三次大规模战役开始了 。
武帝命大将军卫青率中将军公孙敖、左将军公孙贺、前将军赵信、右将军苏建、后将军李广、强弩将军李沮等部，共十余万人，由定襄出发，北伐匈奴，希望趁单于本部右翼暴露之机，一举歼灭之 。卫青出塞后不久，就遭逢单于主力，打了一次击溃战，杀敌数千人，随即返回定襄、云中、雁门休养 。四月，卫青再次出塞远征，因为进攻路线没有改变，所以被单于预先命令左贤王部向西靠拢，得以从侧翼夹击汉军 。
战斗结果，胜负参半：苏建部伤亡殆尽；赵信原是匈奴小王来降，兵败后又投降匈奴；只有卫青再遇匈奴主力，歼灭万余人 。
此次战役，可谓打了个平手，但一员年轻将领却从中脱颖而出，给匈奴以极大的震撼——那就是卫青的外甥霍去病 。霍去病跟随卫青北征，率800骑前出大军数里，杀敌2028人，斩了单于的祖父辇藉若侯产，俘获单于的叔父罗姑比及相国、当户等贵族 。武帝因他的功绩，加封为冠军侯——此时霍去病年仅18岁 。
在此前不久，张骞第一次出使西域归来，向武帝禀报说：“西域诸国也都苦于匈奴的侵扰，如果我们与其联合，就可以给匈奴以沉重打击 。”武帝遂决定打通河西走廊，远通西域 。元狩二年（前121）春季，派骠骑将军霍去病率1万精骑突袭驻扎在河西的匈奴军 。
此时匈奴主力已经远遁漠北，霍去病遂长驱直入，从陇西出发向西北挺进，大破匈奴浑邪王、休屠王所部，杀折兰王、卢侯王，俘虏浑邪王的儿子、相国、都尉等，抢走休屠王的祭天金人，总计斩、俘8960余人 。河西走廊被一举打通 。
同年夏季，汉军再次分东、西两路北征，霍去病走西线，又获大胜，东线却损兵折将，李广遭遇匈奴左贤王主力，几乎全军覆没 。战后，浑邪王和休屠王因害怕遭到单于惩罚，率众降汉 。
匈奴单于从上次战败后，就用降将赵信计，逃遁漠北，以为汉军无法远出，可以暂时隐忍，积聚实力，以图卷土重来 。元狩四年（前119）春，武帝决定将计就计，以强大兵团深入漠北，寻求与匈奴主力决战，遂派大将军卫青率前将军李广、左将军公孙贺、右将军赵食其、后将军曹襄，以5万骑兵为主力，出代郡进攻匈奴左贤王，派骠骑将军霍去病率骑兵五万为主力，出定襄，直驱漠北进攻匈奴单于 。
此次战役规模巨大，除两路军10万人外，还有编制外的“私负从马”4万匹跟随前进，后面有步兵数十万掩护辎重 。
武帝一心想把最难啃的骨头留给霍去病，出兵前得到假情报说，单于主力在东，遂命令前线两军调换出发地和目标 。但等大军出塞后，才发现单于仍然在西，卫青遂直取匈奴主力，在漠北展开决战，厮杀整日，伤亡相当 。
最后单于不支，趁夜逃走，卫青追击到阗颜山赵信城（今蒙古杭爱山南端），虏获大批辎重物资，余粮全部烧掉 。计前后共歼灭匈奴兵1.9万余人 。
相对的，霍去病出塞后即遭遇匈奴左贤王部，奋战取胜，追击到狼居胥山、姑衍（均在今蒙古乌兰巴托以东），祭天立碑而还 。总计俘虏屯头王、韩王等3人，将军、相国、当户、都尉等83人，其余人等7万余 。匈奴左贤王部逃走的还不到十分之二 。
经过此次战役，匈奴实力遭到重创，此后再不敢在漠南设置王庭 。困扰汉初近百年的北部边患，算是基本得到解决了 。
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