漢武帝下令把驍勇善戰、敢于深入搏斗的精壯士兵都交給了霍去病，以示對他的格外恩寵和所寄予的厚望。漢武帝把攻擊中部匈奴伊稚斜單于部的艱巨任務交給了霍去病，希望他能取得成功。
霍去病受詔從定襄出塞，直接攻擊遇到的匈奴小股武裝。他從俘虜口中得知，伊稚斜單于遠在東方。霍去病便回軍休整，重新布置行動計劃。漢武帝改命霍去病從東邊的代郡出塞，而讓衛青從定襄出塞，目的仍是讓霍去病率精銳攻擊伊稚斜單于的主力。
郎中令李廣屢次向漢武帝請纓出征。但漢武帝正寵信衛青和霍去病二位將軍，而且這兩人又是他的親戚。衛青娶了平陽公主，成了漢武帝的姐夫，霍去病又是衛青的外甥。漢武帝不寵信他們又寵信誰呢?漢武帝也深知李廣能征善戰，只是心中有些忌諱李廣功勞太大會壓過衛青和霍去病。為了讓衛青和霍去病在戰場上再次露臉，漢武帝就有心阻撓李廣參加這次的大戰。漢武帝先推說：“將軍年紀太大，就不必再受鞍馬之勞苦了。”李廣求戰心切，不肯罷休。漢武帝覺得也沒有什麼別的理由阻攔李廣參戰請求，就勉強地同意了。李廣被漢武帝安排在衛青軍中。
霍去病所率的五萬人馬並沒有配備副將，而衛青部則有四位大將轄屬。漢武帝任命郎中令李廣為前將軍，太仆公孫賀為左將軍，主爵都尉趙食其為右將軍，平陽侯曹襄為後將軍。他們全部隸屬于大將軍衛青指揮。
漢武帝一聲令下，漢軍又開始了向北的第二次推進。這是漢武帝第十一次對匈奴的用兵。盡管漢武帝戰前深思熟慮，但戰場上的情況卻出現了戲劇性的變化。原定霍去病尋找伊稚斜單于的主力，衛青則主要應付左賢王的部屬，不想兩支漢軍向北推進，各自搜索對手時，情況卻出人意料之外。衛青部隊碰上了伊稚斜單于的主力，而霍去病捕捉到的卻是左賢王所率的人馬。
漢軍准備充分，一心想找匈奴的主力決戰，所以這次戰役成為不可避免的了。在交鋒之前，趙信安慰伊稚斜單于說：“即使漢兵越過了大沙漠，人馬再精壯也一定會疲憊不堪，到時候我們可以坐著收拾他們。”于是，伊稚斜單于下令把輜重和所有部落都向北再行撤退，把所有的精兵都留下來，布置在大沙漠以北，等待漢軍的到來。
衛青率大軍既出定襄，獲悉伊稚斜單于王庭在漠北的情報，親自率領精銳騎兵向王庭挺進。衛青命將軍李廣所部與右將軍趙食其所部合並，擔任大軍右翼護衛，定下期限到漠北合擊匈奴主力。右翼進軍必須從東面繞道行軍，路遠而且水草又少。李廣請求說：“我的任務本是前鋒，大將軍卻改變部署，調我到東面擔任右翼，我自從十六歲時，便與匈奴交鋒，直到今天才有機會跟匈奴單于單獨對面。我願仍擔任先鋒，效死而取單于的人頭。”
衛青對于李廣的請求毫不理睬。他之所以如此變更部署，主要因為漢武帝已經暗中吩咐過，說大功不可落到外人頭上。衛青領會了漢武帝的意思，對外就說李廣年紀太大，而且用兵運氣不好，所以不讓他面對單于擔任前鋒，主要是怕勞而無功，使單于逃遁，達不到擒獲的目的。而且大將軍衛青也有自己的小算盤。公孫敖因行軍誤期，被漢武帝革去了侯位。他是衛青的好朋友，曾經從館陶長公主手下救過衛青的命。衛青一心想讓他隨自己立功，以便恢複救命恩人的爵位，所以衛青調開了先鋒李廣，打算讓公孫敖當先鋒。李廣也聽說了一些內情，心中憤恨，一再堅持要衛青准許他擔任先鋒，但衛青一概予以拒絕。李廣數次請求不成，知道事已無望，也不行禮，轉身就走，毫不掩飾對衛青的憤怒。
李廣心中雖有怨氣，但還得服從軍令領兵從右路北上。衛青從定襄出塞，向北疾走一千余里，橫越沙漠。伊稚斜單于聽從趙信的計策．轉移輜重，陳精兵嚴陣以待，以逸待勞。兩軍士兵都感到了臨戰前的緊張。
衛青見伊稚斜單于以逸待勞，也不從正面沖擊，以免造成太大的損失。衛青想出了一條誘敵之計，只要匈奴人離開營壘，對于漢軍的攻擊會格外的有利。衛青下令士兵們用頂上有帷布的武剛車圍成陣營，叫五千騎兵抵擋住匈奴人的正面，其余軍隊在武剛車陣後面和兩翼埋伏起來。