时值日落时分，又恰逢刮起大风，一时间黄沙遍天，除了仍在近身肉搏的一万余人之外，汉匈主力却是谁也看不见谁。

伊稚斜单于由于看不清汉军本阵情形，也不敢贸然发动进攻，而卫青却意识到机不可失，在汉军骑兵经过短暂休整，已经恢复了一些战力的情况下，立即出动两路军队，自左右两翼包抄而上，围攻伊稚斜单于本阵。

由于风沙遮蔽视野，伊稚斜单于抬眼望去，只见黄沙之中尽是骑兵飞驰，一时间根本搞不清到底有多少汉军冲杀而来，担心继续打下去对己方不利的他，完全不顾正在交战的军队，便乘着六匹骡马拉的车，借着黄昏，在几百名精壮骑兵的保护下，趁着汉军尚未完成合围，冲破汉军包围圈向西北逃窜而去。在发现单于逃走后，匈奴主力也随之撤退，仅剩先前出战的那一万多骑仍在与汉军缠斗。

等到风沙渐停，天色已经完全昏暗，原本互相混战的汉匈双方这才看清形势，发现匈奴主力已经撤走，战团中的匈奴骑兵士气骤降，很快便落入了下风。

这时，汉军左校捉到的匈奴俘虏，供说单于已经在天未黑时逃离，卫青得知消息，连忙派遣轻骑兵连夜追击，卫青则率领主力在对遗留战场的匈奴骑兵完成清剿后，紧随其后追击而去。

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汉军紧追一夜，追出去二百多里，一直追到了寅颜山的赵信城，虽然先后捕杀匈奴骑兵一万余人，却始终没能追上伊稚斜单于。无奈之下，卫青只好命令大军在赵信城中短暂休整，一面以匈奴人囤积在此的军粮补充大军，一面侦骑四出寻找伊稚斜单于的下落。

卫青率领大军在赵信城停留休整一天，却始终没有发现伊稚斜单于的下落。卫青虽然心有不甘，却也不敢让大军在漠北久持，只好将赵信城中的匈奴屯粮焚烧殆尽后，率领大军撤退。

就在卫青统率大军与伊稚斜单于激战之际，前将军李广和右将军赵食其统率的另外一路汉军，却由于大军没有向导，在大漠之中迷失了道路，别说按照原定计划与卫青夹攻伊稚斜单于了，就连大漠也没能走出去。无奈之下，只好赶在军粮耗尽之前率军沿原路撤回。

实际上，就算李广、赵食其能够顺利率军走出沙漠，也根本无法完成与卫青夹攻伊稚斜单于的计划，毕竟伊稚斜单于根本没在单于庭，而是将军队前移到了沙漠边缘，而且在卫青刚刚走出沙漠时，双方便已经展开了决战，且仅仅交战片刻便连夜逃走了。因此，绕行东路、路途遥远的李广和赵食其，无论如何也是来不及与卫青汇合的。

结果，等到卫青率兵班师，南行渡过沙漠，这才遇到了李广和赵食其的军队，心中颇有怨气的李广，在谒见大将军卫青之时，只告诉卫青自己迷失了道路，而无任何解释，之后便心灰意冷的回到了自己军中。

卫青也知道此事自己理亏在先，因此非但没有怪罪李广的不敬，反而派长史带人给李广所部送去干粮和酒，在犒赏军队的同时，顺便向李广询问迷路情况，以便回朝后给汉武帝上报军情。

然而，李广平素治军便简单随意，军中文书不全，根本没办法解释清楚迷路问题，只好沉默不语。

卫青以为李广这是对自己心中有怨，便也不再向其问询，而是派长史传令李广部下校尉、文书等官员前去受审对质。李广自然知道自己军中文书不全的问题，因此说道，“校尉们无罪，迷失道路乃是我自己的问题，大将军要问罪，我亲自去大将军幕府受审对质便是。”

李广一路行来，回想自己这半生征战，一时间心中尽是悲凉之意。来到大将军幕府前，李广回身对着跟随在身后的部下们说道，“我自年少时起，与匈奴作战七十余次，如今有幸随大将军出征，本想着有机会与匈奴单于交战，然而大将军又调我的军队迂回绕远，偏偏又赶上迷路，这难道不是天意吗？”说到这里，李广仰头望天，长叹一口气后继续说道，“如今我已六十多岁，又岂能再受那些刀笔吏的侮辱。”

说罢，李广拔刀自刎而死。这位征战一生的老将，就此永远倒在了卫青大将军幕府前的血泊之中。