骤起，沙砾飞扬，两军对面不能相见。卫青趁此机会命令左右两翼汉军迅速出动，将匈奴军队围困在营阵之中。伊稚斜单于见到汉军数量众多，兵强马壮，不敢再拖延下去，于是率数百名亲兵趁黄昏之时从西北方向突破汉军包围，急驰而去。这时两军仍在激战，直至夜幕已深，卫青得知单于已经突围的消息，急令轻骑连夜追击，卫青率大军随后而行，被围困的匈奴骑兵趁机四处逃散。天明之后，汉军已追击二百余里，但单于终于逃脱。卫青出塞以来，汉军共杀伤俘获匈奴一万九千多人，推进至位于阗颜山(约位于今蒙古杭爱山南端)的赵信城(赵信降匈奴后所建，故名赵信城)，用匈奴积蓄的粮秣补充军需，焚烧其城及余粮后班师而还。匈奴这时则陷入一片混乱之中，伊稚斜单于逃跑后下落不明，右谷蠡王自立为单于，后来得知单于尚在，方才去掉单于名号，恢復为王。