元狩元年（公元前122年）冬，漢武帝聽說‘投降匈奴的原漢朝前將軍趙信為伊稚斜單于出謀獻策，認為漢軍沒有能力跨過大漠戈壁進行遠征，即使僥倖越過大漠戈壁，也會因為糧秣不繼而難以進行大戰’，便決定利用匈奴這一戰略誤判，決定調集養精蓄銳已久的‘粟馬’（專門用粟米飼養的戰馬，耐力比使用草料餵養的馬匹要強許多）精騎十萬，令衛青和霍去病各領五萬，分別出塞，越過大漠戈壁，相互策應，征伐匈奴。

元狩四年，戰役正式拉開帷幕，衛青率領五萬‘粟馬’精騎從定襄出塞，疾行1000多里與匈奴伊稚斜單于本部遭遇。得益於之前趙信的獻策，此時的伊稚斜單于令所部八萬騎兵擺好陣勢，準備以逸待勞。為了改變這種敵強我弱的態勢，衛青創造性的運用了車、步、騎諸兵種協同作戰的新戰術，令武剛戰車圍城環形圓陣，抵禦匈奴騎兵的衝擊，消耗匈奴騎兵的銳氣，然後乘機發動反攻。衛青如此佈陣不僅令沒有鐵甲防護的匈奴騎兵無法攻破漢軍防線，還能充分發揮漢軍強弓勁弩的射程優勢。

佈陣完畢，匈奴果然發動了對武剛車圓陣的衝擊，衛青又以五千騎兵協防。一番激戰下來，匈奴騎兵始終無法突破漢軍的防線。戰至傍晚，大風驟起，匈奴騎兵被沙石撲面，衛青乘機投入主力騎兵反攻，迂迴至匈奴騎兵左右兩翼夾擊，五萬漢軍‘粟馬’精騎竟然成功的合圍了八萬匈奴騎兵。此時為了抵消匈奴騎兵善於騎射的優勢，衛青下令漢軍與之近身搏戰。

伊稚斜單于眼見漢軍如此兇悍，而己方既無法發揮騎射的優勢，又被漢軍合圍，自料難以取勝，就慌忙率數百親衛逃竄。單于逃竄後，八萬匈奴騎兵被殲滅兩萬，其餘全部潰散。衛青親率輕騎追擊二百多里，沿途又殲滅上萬潰散的匈奴騎兵，但是始終沒能追上伊稚斜單于。隨後衛青領兵攻陷了匈奴的趙信城（公元前124年，趙信兵敗投降匈奴後所築），獲取了匈奴屯集於此的糧餉和輜重，補充軍隊。休整一日，漢軍盡焚其城及剩餘軍資而還。

漢朝在‘白登之圍’後，歷經幾代君主的臥薪嚐膽，終於在這一戰中擊潰匈奴伊稚斜單于本部，同一時期霍去病也全殲了匈奴左賢王部的八萬騎兵。此戰漢軍不僅成功越過了大漠戈壁，還以劣勢兵力圍殲了八萬匈奴騎兵，打出了漢匈百年戰爭中的巔峰之役。此戰中衛青創造的車、步、騎諸兵種協同的戰法成了後世應對遊牧騎兵的典型戰法，直到明末由於火器的大規模應用才逐漸退出戰場。此後匈奴雖然還時不時侵犯漢朝邊境，但由於在這場巔峰之役被打的太慘，所以再也沒有能力對漢朝發動大規模進攻。