骠骑将军去病率师，躬将所获荤粥之士，约轻赍，绝大幕，涉获章渠，以诛比车耆，转击左大将，斩获旗鼓，历涉离侯。济弓闾，获屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉八十三人，封狼居胥山，禅於姑衍，登临翰海。
——《史记·卫将军骠骑列传》
在卫青率兵北上攻打单于庭的同时，霍去病率领的东路大军亦从代郡出塞，兵锋直指匈奴左贤王部。
从兵力来说，卫青和霍去病两路皆是以五万骑兵为主，两万余步兵为辅，大军后方则是以大量步卒和役夫组成的运输补给部队。不过，从军队构成和人员配置来讲，两军则有着明显的区别。
西路军以大将军卫青为主帅，另以前将军李广、左将军公孙贺、右将军赵食其和后将军曹襄为副将，四位副将虽然隶属于大将军卫青指挥，但却独自统兵，拥有一定的自主权。东路军则不同，虽然同样以骠骑将军霍去病为主帅，但却不设副将，只以校尉李敢、徐自为等人代替副将职能，由于职位上的天然差距，李敢、徐自为等人虽然也独自领兵，但却唯霍去病之命是从，如此便可使霍去病对整支军队如臂使指，像李广那样公然与卫青争辩的情形，在东路军中是不会出现的。
此外，与卫青所统率的汉军骑兵不同，霍去病麾下的骑兵中，则有不少都是内附和归降的匈奴人，不仅士兵如此，将领同样如此，除了右北平太守路博德、渔阳太守解、北地都尉邢山、校尉徐自为、校尉李敢等人之外，跟随霍去病出征的煇渠候仆朋、昌武侯赵安稽、因淳王复陆支、楼专王伊即轩全都是内附的匈奴裨王，就连多次跟随霍去病征战的宜冠侯高不识也是归附的匈奴王，而骠侯赵破奴也曾在幼时流浪于匈奴地区。
正因为这些不同，霍去病选择了与卫青的截然不同的战术，他延续了自己长途奔袭、攻敌不备的战术，出塞之后便直接将步兵和辎重部队留在了长城附近，自己则率领五万骑兵携带少量补给，迅速越过浑善达克沙地北上。
汉军如此大的动作，左贤王自然也早已有所察觉，他立即召集各部部众南下迎战。左贤王的想法与伊稚斜单于差不多，意图趁着汉军越过沙漠之后的疲惫期，一举击溃汉军，取得胜利。
然而，由于霍去病所率尽为骑兵，行军速度远远超出了左贤王的想象，不仅在沙漠之中耽搁的时间较少，而且还争取到了不少的休整机会。结果，等到左贤王率兵南下之时，霍去病已经率兵在锡林郭勒草原完成了休整，正在侦骑四处寻找匈奴主力所在，哪有半分疲惫之感，反倒是左贤王部经过一段跋涉，兵马略显疲惫。
霍去病得知左贤王率兵南下，立即引军北上对左贤王率领的匈奴主力发动了攻击，根本不给对方休整布阵的机会。等霍去病杀到之时，左贤王率领的大军还保持着行军队形，根本没做好迎战的准备。
左贤王得到汉军杀来的消息之后，连忙命命令大军加速前进，同时令前部匈奴军队上前迎战，为大军的集结争取时间。
霍去病见匈奴军队竟然还敢主动上前迎战，立即命令大军一分为二，自左右两翼猛冲而上，切断了匈奴前军与后军的联系。霍去病的目的很简单，就是要趁着匈奴主力尚未完成集结，先行打垮这支数量并不算少的匈奴前锋部队。
凭借着兵力的绝对优势，汉军很快便击败了匈奴的先头部队，而此时的匈奴主力才勉强完成集结，霍去病不给对方整军备战的机会，只派出少量军队追杀已经溃散的匈奴前军，自己则亲率主力扑向了匈奴主力，随之与左贤王的大军厮杀在了一起。
虽然汉军刚刚经历了一场厮杀，然而首战告捷的汉军此时士气正旺，攻击异常迅猛。而面对汉军的凶猛进攻，勉强完成集结的匈奴军队不仅乱糟糟的挤成一团，刚刚经历了一番急行军的士兵和马匹，更是疲惫不堪，只能在各部贵族的催促下仓促迎战。
此消彼长之下，匈奴军队如何是汉军的对手，仅一个照面便被汉军突破了防线。左贤王见势不妙，心知继续打下去也难以扭转败局，遂率领本部兵马向北逃窜，其他各部匈奴军队见状，亦纷纷四散而逃。
此战，霍去病不仅斩杀了包括北车耆王在内的匈奴将士近两万，活捉了单于大臣章渠，更是缴获了匈奴军队大量粮草补给，这对于粮草已经基本告罄汉军来说，无疑是个极大的补充。
按照原本的战略部署，汉朝方面因为匈奴降卒错误的消息，以为伊稚斜单于已经率部东移，因此霍去病担任的乃是主攻任务，面对伊稚斜单于和左贤王率领的两部匈奴主力，即便不能将其击败，也必须将两部主力牢牢牵制住，而卫青则是负责捣毁匈奴单于庭，切断伊稚斜单于的退路，再与霍去病夹攻消灭伊稚斜单于和左贤王部，彻底化解匈奴威胁。
然而，经过激战之后，霍去病从匈奴降卒口中，却得知了伊稚斜单于并未在匈奴左地的消息，至于是否在单于庭，谁也不知道。经过一番思考后，霍去病认为与其改变行军路线，去寻找不知道在何处的伊稚斜单于，倒不如趁机彻底摧毁左贤王部，砍掉伊稚斜单于的左臂。如此，即便此战无法击溃伊稚斜单于，失去了左贤王和右贤王两部之后，也难以再对汉军构成威胁。
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