单于看到了汉朝兵多，而且战斗力还很强，估摸继续打下去，对匈奴不利。就趁着天黑乘着六头骡子拉的车，同几百精壮骑兵，径直冲出汉军包围圈，向西北方向逃去。

这时天已经黑了，汉军与匈奴互相混战，伤亡大致相同。汉军左校尉捕到匈奴俘虏，询问单于情况。匈奴俘虏说：单于在天未黑时，就已经逃走了。

大将军派出轻骑兵，连夜追击，大将军的军队紧随其后。匈奴四处逃散，天快亮时，汉军已追出二百余里，没有追到匈奴单于。这一战俘获斩杀匈奴军士一万多人，军队到了窴颜山的赵信城，缴获了匈奴囤积粮草给养，汉军驻扎休整，补充给养，把剩余的烧毁，大将军便率军返回。

大将军卫青越过大漠与匈奴单于交战，而前将军李广和右将军赵食其的军队，从东路进军，因为迷了路，没能如期同大将军会合。大将军领兵回到大漠以南时，才遇见他们。大将军想派使者回京报告天子，便派长史根据文书所列罪状，审问李广，李广不堪受辱而自杀。

右将军赵食其被押送回京，交给廷尉审理，因迟到而贻误战机，依法当斩，后交了赎金，被贬为平民。大将军此次入塞，共斩获匈奴军士一万九千人。

骠骑将军霍去病也统率了五万骑兵，车辆辎重和大将军相同，但骠骑将军没有副将，就任命李敢等为大校担任副将，从代郡、右北平出发一千多里，进攻左贤王的军队，所斩杀匈奴的数量远远超过大将军。

大军归来时，武帝说：骠骑将军霍去病率领军队，亲自指挥从前俘获的荤粥勇士，轻装上阵，横越大沙漠，涉水俘获了单于的近臣章渠，诛杀了比车耆，转而又攻打左翼大将，缴获军旗和战鼓。翻过离侯山，渡过弓闾河，捕获了屯头王、韩王等三人，以及将军、相国、当户、都尉等共八十三人。并在狼居胥山祭祀天，在姑衍山祭地，并且登上高山俯视大漠。共俘获斩杀匈奴七万零四百四十三人，汉军仅损失十分之三。他们从敌人那里夺得粮食，虽然行军到很远的地方，却没有断绝军粮。又加封霍去病食邑五千八百户。

这一战骠骑将军获得了巨大成功，他的部下又有多人被封侯。校尉李敢是李广的儿子，因这次战役立有军功，被封为关内侯，赐食邑二百户。就连军中小吏，士卒也有被赐赏的。

大将军卫青，在这次战争中，虽然也取了胜利，但和霍去病比起来，那可差远了。大将军没有得到加封，大将军的部下，也没有受到封赏。