經過河南、河西之戰，匈奴不僅兵力損失慘重，還失去了沙漠南部的兩個戰略要地——河南和河西，對匈奴的軍事戰略和經濟產生了極大的影響。之後匈奴主力被迫轉戰自然條件相對惡劣的漠北，漢匈實力對比發生根本變化。
雖然匈奴的主力已經轉移到了漠北地區，但是匈奴並沒有停止對漢朝邊境地區的入侵。公元前120年秋，匈奴派數萬騎兵攻北平、定襄，殺數千官歸。為了徹底消滅匈奴的主力，消除其對漢朝邊境的威脅，給邊境人民提供壹個安定的生活環境，公元前119年春，漢武帝決定利用匈奴誤以為漢軍打不過大漠的心理，深入漠北與匈奴進行壹場大決戰。
漢武帝為了保證漠北之戰的順利進行，從全國各地征用了大量的軍需物資，調集了10萬精銳騎兵部隊直接與匈奴作戰，動用了數十萬步兵進行運輸，並從民間征集了14萬馬匹作為儲備。
漢軍的原計劃是從定襄出發，由霍去病率領全軍直奔大漠，尋找匈奴支壹斜可汗的主力進行決戰。大軍出發前，從匈奴俘虜口中得知可汗已經東行，於是改變了原定計劃，令衛青和霍去病的五萬騎兵分別從定襄和戴軍北上。
支壹謝可汗在聽到漢軍正在向北推進的消息後，接受了趙信的建議，將家人的財物全部轉移到更遠的北方，只留下精銳的士兵在漠北等待與漢軍決戰。
衛青率領前將軍李廣、左將軍公孫敖、右將軍趙、後將軍曹襄共五萬騎兵從定襄出發迎擊匈奴單於。衛青率軍出定襄後不久，就從匈奴俘虜那裏得知了支壹斜可汗的確切位置。衛青於是合並李廣、兩部，使其由東路前進，掩護主力在匈奴側翼，而自己和宮則率領主力與匈奴單於正面作戰。
衛青率領主力北上，與匈奴單於的主力會師，北上壹千多裏後，突然發現支壹斜單於的主力就在前方等著。衛青於是下令用武岡車(壹種車頂四周用皮革做保護的裝甲運兵車)包圍營地，防止匈奴軍隊進攻；五千騎兵被派去進攻匈奴。謝單於也率數萬騎兵出戰，兩軍激戰至黃昏。這時突然刮起壹陣大風，兩軍都看不清對方。衛青趁機從左右兩翼派兵包圍匈奴軍隊。支壹斜單於見馬莊漢軍眾多，兵強馬壯。感覺打不贏，不敢再拖了，於是帶領數百名騎兵從西北突圍。兩軍激戰至深夜，衛青得知支壹斜單於已逃。於是立刻下令清兵連夜追擊，衛青率軍跟隨，被圍的匈奴兵趁機四處逃竄。到天亮時，漢軍已追出200多華裏，卻沒抓到斜單於。這壹戰，漢軍殲滅俘虜匈奴壹萬九千余人。
在古將軍霍去病的率領下，五萬東路漢軍從戴軍出發迎擊匈奴左，右北平知府呂布從右北平出發配合主力。霍去病率軍出戴軍後，下令全軍輕裝上陣。向北走了兩千多裏，在沙漠中遇到了匈奴左的軍隊。幾經鏖戰，殲滅俘虜匈奴軍七萬余人，活捉近臣伊誌燮單於，匈奴屯頭王、三人，以及和將軍八十三人，殺匈奴北車茂(阿提拉)。左和他的將軍們棄兵逃跑，漢軍追趕他們回到茫茫大海。
漠北大學決戰是中匈戰爭中規模最大、最具決定性的壹戰。漢武帝為了殲滅匈奴主力，動用全國精銳騎兵，動員數十萬步兵參戰。他的戰役規模空前，顯示了漢武帝徹底打敗匈奴，永不患邊患的偉大決心。
漢匈大漠與北大的決戰，漢軍取得了決定性的勝利，迫使匈奴繼續向北逃竄，造成了大漠南無匈奴王庭的局面。之後的很長壹段時間，匈奴再也無力向中原發動大規模入侵，漢匈戰爭的重心也從中原轉移到了西域。