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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19000余。
从东路出击的前将军李广和右将军赵食其军，因迷路，未能如期抵达漠北与卫青大军汇合。待卫青得胜返回漠南才与2人相遇。卫青欲上书替2人说情，派人去李广军中了解情况。此战，李广已年过60岁，汉武帝本不欲派他出征，经李广再三请求，才任以前将军之职，但私下又告诫卫青，不要将重任交给李广。因此，临战遣李广从东路出击。而东路道远，且水草少，不利于行军驻扎。对此李广深为不满。对于未能及时与大军会合，跑了敌酋，李广也知罪大，便不愿对刀笔之吏①，引刀自刭。李广一生与匈奴大小70余战，屡立战功，匈奴闻之丧胆，称其为汉之飞将军，但由于种种原因，终李广一生，他始终未得封侯，给后人留下了李广难封的疑团。李广死后，其部下军士大夫一军皆哭。百姓闻之，知与不知，无老壮皆为垂涕.②右将军赵食其被下狱，当斩，赎为庶人。
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。霍去病指挥汉军向匈奴军发动猛烈进攻，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，歼敌7万余人，左贤王精锐几乎损失殆尽。左贤王率亲信弃军逃走。霍去病挥军追杀，至狼居胥山（今蒙古乌兰巴托东），在山上修建一个纪念台，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，地位与丞相不相上下。汉武帝对霍去病的功绩尤其赞赏，不仅令骠骑将军秩禄与大将军等①，而且再以五千八百户益封骠骑将军②，其部下将官也多人封侯受赏。卫青则因未能全歼伊稚斜单于军，而未得益封，其部下军吏卒皆无封侯者③。漠北大战，是西汉对匈奴战争中规模最大的一仗，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，是后匈奴远遁，而幕南无王庭④，其实力日渐衰落。汉军的损失也很大，伤亡数万人，马匹损失了十几万，后备空虚，短时期内也无力再发动大规模进攻。但匈奴威胁并未根除，汉武帝仍在积蓄力量，准备继续打击匈奴。
