赵信向伊稚斜单于建议：“汉军不知道厉害，竟打算穿过沙漠。到时候，人困马乏，我们以逸待劳，就可以俘虏他们。”于是下令所有的粮草辎重，再次向北转移，而把精锐部队埋伏在了沙漠北边。
卫青大军北行一千多里，跨过大沙漠，与严阵以待的匈奴军遭遇了。卫青临危不惧，命令部队用武刚车（铁甲兵车）迅速环绕成一个坚固的阵地，然后派出5000骑兵向敌阵冲击。匈奴出动一万多骑兵迎战。双方激战在一起，非常惨烈。黄昏时分，忽然刮起暴风，尘土滚滚，沙砾扑面，顿时一片黑暗，两方军队互相不能分辨。卫青乘机派出两支生力军，从左右两翼迂回到单于背后，包围了单于的大营。伊稚斜单于发现汉军数量如此众多，而且人壮马肥，士气高昂，大为震动，知道无法取胜，就慌忙跨上马，在数行精骑的保护下奋力突围。向西北方向飞奔而去。
这时，夜幕已经降临，战场上双方将士仍在喋血搏斗，喊杀声惊天动地。卫青得知伊稚斜单于已突围逃走，马上派出轻骑兵追击。匈奴兵不见了单于，军心大乱，四散逃命。卫青率大军乘夜挺进。天亮时。汉军已追出二百多里，虽然没有找到单于，但俘虏匈奴官兵1.9万人。
卫青大军一直前进到真颜山赵信城（今蒙古乌兰巴托市西），获得了匈奴屯积的粮草，补充军用。他们在此停留了一天．然后烧毁赵信城及剩余的粮食。胜利班师。
二
卫青手握重兵数载，战功显赫，权倾朝野，宠任无比。而上不疑，下不忌，唯能避权远嫌故。
卫青屡立大功，汉武帝派特使到军中拜卫青为大将军，加封他食邑6000户，所有将领归他指挥。卫青还在襁褓之中的三个儿子也被汉武帝封为列侯。
卫青坚决推辞说：“微臣有幸待罪军中，仰仗陛下的神灵，使得我军获得胜利，这全是将士们拚死奋战的功劳。陛下已加封了我的食邑，我的儿子年纪尚幼，毫无功劳，陛下却分割土地，封他们为侯。这样是不能鼓励将士奋力作战的。他们三人怎敢接受封赏。”汉武帝表示：“我没有忘记诸校尉的功劳，同样也会嘉赏。”
可能有人对卫青及霍去病出现在《史记•佞幸传》极为不舒服，因为卫青霍去病可是功名赫赫的名将，怎么能够跟《史记•佞幸传》里的其他的，如邓通、李延年货色相提并论呢？而且有人还认为，司马迁是不是有私心
