汉武帝下令对匈奴进行反击，派遣韩安国、李广、公孙贺、王恢，李息等人，率领三十万汉军，埋伏在马邑的山谷。

汉军派遣聂壹做间谍，前往匈奴对匈奴单于说道：“我能够杀死马邑的县令，做大单于的内应。”单于很高兴，带着十几万骑兵赶来。

快要接近马邑的时候，匈奴单于发现原野布满了牛羊，却不见一个汉人的身影，单于觉得奇怪，派人抓来一个汉人小官，问清了情况之后，单于带着大军撤退，马邑之谋最终落空了，汉武帝很失望，将出主意的王恢杀掉。

匈奴开始报复，不断出兵袭击汉朝。汉武帝派遣几位大将出击，皇后卫子夫的弟弟卫青，是一个骑奴出身，善于骑射，对待士卒有恩惠，具有将帅的才能，士卒们乐于被卫青所用。卫青所率的大军打到了龙城，俘虏匈奴七百人，其他将军都无功而返。

匈奴的第二号人物右贤王多次进攻汉朝，汉武帝派遣卫青等将军出击，右贤王认为汉人离得很远，十分麻痹大意，喝酒喝得大醉，睡在大帐中。

卫青率领精锐骑兵，离开边塞七百里，出其不意地进攻右贤王的大营，右贤王大惊，慌忙逃窜。卫青俘获匈奴男女一万五千多人，牛羊数百万头，大胜而归。

汉武帝重赏卫青，卫青的三个儿子被封为侯，卫青推辞说：“我的儿子还小，没有为国家立任何功劳，请陛下封赏那些立功的将士。”

卫青多次从定襄出发，出击匈奴，斩杀匈奴万人。汉朝每年都征招十几万军队进攻匈奴，赏赐立功军人花费几十万黄金，损失战马十几万匹，供应战争物资所用的费用不计其数。

卫青的外甥霍去病，英勇过人，他率领汉朝最精锐的起骑兵，出击到祁连山，斩杀数万敌军，立了大功。

卫青被任命为大将军，统帅大军寻找匈奴主力决战，大将军出塞一千多里，终于与匈奴主力相遇，卫青命令大军将战车排成战阵，作为堡垒，双方各自出动精锐骑兵厮杀在一起。

就在这时，大风猛地刮了起来，大家的眼睛都睁不开，看不到敌人的身影，卫青调遣军队，分成两翼包抄匈奴单于，单于看到汉军人数众多，就下令撤退，卫青下令追击，斩杀匈奴人上万人，很多匈奴人无法找到单于，就溃散了。

霍去病统帅另外一路大军，出击两千多里，一直到狼居胥山，捉拿匈奴人七万多，汉武帝大加封赏。

此次进军，虽然取得了重大胜利，但是，损失也很大，大军出发时的马匹一共有十四万匹，返回时只剩下三万匹。

汉武帝时期，汉军前后击杀匈奴人七八万人，汉人也牺牲了好几万。匈奴人不敢再沙漠以南建立王庭，匈奴人对汉朝的威胁大大减少。

匈奴与汉朝的战争并没有完全停止，断断续续，时战时停，一直持续到汉武帝去世之后。匈奴在汉朝的打击之下，内部出现分裂，不再具有冒顿单于时的雄风，汉朝虽然占了汉匈战争的上风，却也无法彻底解决匈奴的威胁，汉朝对匈奴的战争，极大地消耗了汉朝的国力，双方都走上了从鼎盛到衰落的道路。