元狩三年（前120年），匈奴从右北平、定襄侵入，掠去千余人。作为草原民族，匈奴人求得自身的生存和发展，向南境农业地区索取其需要的物资、财富和奴隶，乃是势所必然的。但以农业为基础的西汉王朝则需要稳定、和平的环境才能保障生产的正常进行。所以，汉、匈之间一场决战是无法避免的。

　　元狩四年（前119年），汉武帝派大将军卫青和骠骑将军霍去病率十万骑兵击匈奴，加上步兵及辎重运输的部队共数十万人。因匈奴根据地已迁至漠北，所以此次出击也决定深入漠北。

　　卫青、霍去病率军分别出定襄代郡长驱进击。卫青一路穿过戈壁在沙漠中行进千余里才与匈奴单于伊稚斜所率主力相遇，一场鏖战就在茫茫大漠中展开，在暮色苍茫中“大风起，沙砾击面，两军不相见”。卫青以武刚车（兵车的一种）自环为营，以五千兵同匈奴万骑对阵，而以重兵埋伏于两翼。

　　大战一日，汉兵两翼伏兵将匈奴团团围住。汉兵愈战愈勇“上马尚强”。匈奴力不能支，单于自度战不能与汉兵”，遂与数百名亲信卫向西北突围而逃。卫青率兵追之二百余里，边追边战，俘虏斩首匈奴达一万九千余。至窴颜山赵信城（今鄂尔浑河以南，系赵信所建）终未追到单于，而得到匈奴贮存在这里的粮食。

　　汉军在这里留一日，食其积粟后“悉烧其城余粟以归”，这次对匈奴的打击是沉重的，以至匈奴部众都以为单于伊稚斜已经被杀，其右谷蠡王竞自立为单于。后来，伊稚斜逃回后，才复其故位。

　　另一路由霍去病率的军队也取得很大胜利。大军出代郡二千余里，在狼居胥山瀚海沙漠（今内蒙古自治区苏尼特旗北）大败匈奴左贤王，俘七万余人。霍去病亲自到狼居胥山和姑衍山封禅，祭告天地表示将此地收归汉朝，然后班师回朝。

　　这次大战双方损失都不小，匈奴军队损失达八九万；汉朝损伤军队也达一万余，马匹十余万。而由卫青指挥的前将军李广，因所率部众迷路，未能参加战斗，获罪被迫自杀。

　　从元光年间起，“汉兵深入穷追二十余年”的情况到此基本结束，基本上将匈奴的势力逐出漠南，遏止了匈奴侵扰的势头，但为之付出了“海内虚耗，户口减半”的巨大代价，造成了严重的社会问题。

　　始元六年（前81年），来自民间的文学在盐铁会议上与坚决主张攻伐匈奴的御史大夫桑弘羊辩议时说：“王恢误谋马邑，匈奴绝和亲，攻当路塞，祸纷孥而不解，兵连而不息，边民不解甲弛弩，行数十年，介胄而耕耘，锄擾而候望，燧燔烽举，丁壮弧弦而出斗，老者超越而入葆。言之足以流涕寒心，则仁者不忍也。”

　　汉宣帝初即位时下诏陈述武帝“北征匈奴，单于远遁”之功，命群臣议立武帝庙乐。长信少府夏侯胜非议诏书，斥责武帝。“武帝虽有攘夷狄、广土斥境之功，然多杀士众，竭民财力，奢侈无度，天下虚耗，百姓流离，物故者半，蝗虫大起，赤地数千里，或人民相食，蓄积至今未复。无德泽于民，不宜为立庙。”此时距汉武帝驾崩不过数年或十余年，武帝用兵四边、尤其是对匈奴的长期用兵，不仅在民间引起普遍的不满与怨恨，而旦在制廷上也遭到如此强烈的指摘，从一个侧面可以证明汉匈战争所造成的社会问题是何等的严重。

　　同样，在汉军凛冽的攻势下，匈奴损失也异常惨重，孕重堕殪，罢极苦之”。因此汉匈双方都萌生了重议和亲的愿望。元狩四年（前119年），匈奴在战争爆发后首次遣使请求和亲，就是在这样的背景下出现的。

　　不过，在军事上占据优势的汉廷已经不肯再在“故约”的基础上与匈奴和亲，坚持要以匈奴为“外臣”，遣单于太子入汉为质子。由“兄弟”降为“外臣”，遣子为质，这也是为崇尚气力、自诩为“天之骄子”的匈奴单于所不能接受的。

　　因此，终武帝之世，汉匈曾数议和亲，却始终未果，但为其后社会心态由普遍主战向主张和亲方向的转化创造了条件。特别是在武帝晚年，对连年用兵“深陈既往之悔”，颁布著名的“轮台诏”宣布不再出兵匈奴，而以“力农”为本，休息百姓之后，这一变化就更为明显。然而此战之后，匈奴无力在北境进行大规模侵扰，而将争夺的焦点转向西域。至此到昭宣之世，汉匈围绕的都是西域的争夺。