元狩三年（前120年），匈奴從右北平、定襄侵入，掠去千餘人。作為草原民族，匈奴人求得自身的生存和發展，向南境農業地區索取其需要的物資、財富和奴隸，乃是勢所必然的。但以農業為基礎的西漢王朝則需要穩定、和平的環境才能保障生產的正常進行。所以，漢、匈之間一場決戰是無法避免的。

元狩四年（前119年），漢武帝派大將軍衛青和驃騎將軍霍去病率十萬騎兵擊匈奴，加上步兵及輜重運輸的部隊共數十萬人。因匈奴根據地已遷至漠北，所以此次出擊也決定深入漠北。

衛青、霍去病率軍分別出定襄代郡長驅進擊。衛青一路穿過戈壁在沙漠中行進千餘里才與匈奴單于伊稚斜所率主力相遇，一場鏖戰就在茫茫大漠中展開，在暮色蒼茫中“大風起，沙礫擊面，兩軍不相見”。衛青以武剛車（兵車的一種）自環為營，以五千兵同匈奴萬騎對陣，而以重兵埋伏於兩翼。

大戰一日，漢兵兩翼伏兵將匈奴團團圍住。漢兵愈戰愈勇“上馬尚強”。匈奴力不能支，單于自度戰不能與漢兵”，遂與數百名親信衛向西北突圍而逃。衛青率兵追之二百餘里，邊追邊戰，俘虜斬首匈奴達一萬九千餘。至窴顏山趙信城（今鄂爾渾河以南，系趙信所建）終未追到單于，而得到匈奴貯存在這裡的糧食。

漢軍在這裡留一日，食其積粟後“悉燒其城餘粟以歸”，這次對匈奴的打擊是沉重的，以致匈奴部眾都以為單于伊稚斜已經被殺，其右谷蠡王競自立為單于。後來，伊稚斜逃回後，才復其故位。

霍去病

另一路由霍去病率的軍隊也取得很大勝利。大軍出代郡二千餘里，在狼居胥山瀚海沙漠（今內蒙古自治區蘇尼特旗北）大敗匈奴左賢王，俘七萬餘人。霍去病親自到狼居胥山和姑衍山封禪，祭告天地表示將此地收歸漢朝，然後班師回朝。

這次大戰雙方損失都不小，匈奴軍隊損失達八九萬；漢朝損傷軍隊也達一萬餘，馬匹十餘萬。而由衛青指揮的前將軍李廣，因所率部眾迷路，未能參加戰鬥，獲罪被迫自殺。

從元光年間起，“漢兵深入窮追二十餘年”的情況到此基本結束，基本上將匈奴的勢力逐出漠南，遏制了匈奴侵擾的勢頭，但為之付出了“海內虛耗，戶口減半”的巨大代價，造成了嚴重的社會問題。

始元六年（前81年），來自民間的文學在鹽鐵會議上與堅決主張攻伐匈奴的御史大夫桑弘羊辯議時說：“王恢誤謀馬邑，匈奴絕和親，攻當路塞，禍紛孥而不解，兵連而不息，邊民不解甲弛弩，行數十年，介冑而耕耘，鋤擾而候望，燧燔烽舉，丁壯弧弦而出鬥，老者超越而入葆。言之足以流涕寒心，則仁者不忍也。”

劉徹

漢宣帝初即位時下詔陳述武帝“北征匈奴，單于遠遁”之功，命群臣議立武帝廟樂。長信少府夏侯勝非議詔書，斥責武帝。“武帝雖有攘夷狄、廣土斥境之功，然多殺士眾，竭民財力，奢侈無度，天下虛耗，百姓流離，物故者半，蝗蟲大起，赤地數千裡，或人民相食，蓄積至今未復。無德澤於民，不宜為立廟。”此時距漢武帝駕崩不過數年或十餘年，武帝用兵四邊、尤其是對匈奴的長期用兵，不僅在民間引起普遍的不滿與怨恨，而且在朝廷上也遭到如此強烈的指摘，從一個側面可以證明漢匈戰爭所造成的社會問題是何等嚴重。

同樣， 在漢軍凜冽的攻勢下，匈奴損失也異常慘重，孕重墮殪，罷極苦之”。因此漢匈雙方都萌生了重議和親的願望。元狩四年（前119年），匈奴在戰爭爆發後首次遣使請求和親，就是在這樣的背景下出現的。

不過，在軍事上佔據優勢的漢廷已經不肯再在“故約”的基礎上與匈奴和親，堅持要以匈奴為“外臣”，遣單于太子入漢為質子。由“兄弟”降為“外臣”，遣子為質，這也是為崇尚氣力、自詡為“天之驕子”的匈奴單于所不能接受的。

因此，終武帝之世，漢匈曾數議和親，卻始終未果，但為其後社會心態由普遍主戰向主張和親方向的轉化創造了條件。特別是在武帝晚年，對連年用兵“深陳既往之悔”，頒佈著名的“輪臺詔”宣佈不再出兵匈奴，而以“力農”為本，休息百姓之後，這一變化就更為明顯。然而此戰之後，匈奴無力在北境進行大規模侵擾，而將爭奪的焦點轉向西域。至此到昭宣之世，漢匈圍繞的都是西域的爭奪。