且说在边关，汉武帝为了打通汉朝通往西域的通道，在积极筹备对匈奴战争的同时，还派遣张骞出使西域，计划联合西域，经济上和西域各国通商，外交上对匈奴进行孤立。经过几次大战，匈奴伊稚邪单于率部远徙漠北，企图诱汉军越过大漠，以逸待劳，歼灭汉军。汉武帝决定利用匈奴对汉军的错误认知，集中全国的精锐兵力，深入漠北歼灭匈奴主力。元狩四年（公元前119年）春，汉武帝遣大将军卫青、骠骑将军霍去病各率五万骑兵分兵两路深入漠北。卫青部在定襄出发深入大漠一千余里后，与单于主力遭遇，大胜，并趁胜攻入至寘颜山（今蒙古国杭爱山南面）的赵信城，焚其积粟后班师返回。霍去病部则是轻装深入大漠两千余里，大败匈奴左贤王部，追至狼居胥山(约在今内蒙古克什克腾旗西北至阿巴嘎旗一带，一说在今蒙古乌兰巴托以东)，在此地筑坛祭天以告功成，史称“封狼居胥”。漠北之战以汉军的全面胜利而告终，在这次战役中，汉军给予了匈奴沉重的打击，匈奴骑兵损失达八九万，左贤王所部主力几乎全部被歼。但汉军也付出了较大的代价，士兵死亡数万人，战马损失十余万匹。
漠北之战的胜利是汉朝对匈战争的决定性胜利，此战后汉朝北部匈奴边患问题基本得到解决，匈奴再无力对汉朝北部边境发起大规模入侵。由于损失了大量有生力量和物资财产，匈奴势力开始大范围的退缩，匈奴单于逃离漠北，从此大漠以南再也没有匈奴王廷。汉武帝在漠南地区展开了大规模边疆军屯，推广农业经济，使得漠南草原成为汉朝直接控制之地
卫青、霍去病，是汉武帝时期抗击匈奴的名将。两人出将入相，麾下能征善战的将军比比皆是。在《史记》中记载了卫青和霍去病麾下的将军。跟随卫青出征的校尉、裨将被封侯的有九位，未被封侯，但成为将军的有十四位；跟随霍去病的校尉和其他官吏被封侯的有六位，后来成为将军有的有两位。邓三阳便是在这几次战役后被封侯。与他一同参战的李广：汉文帝从军击匈奴因功为中郎。景帝时，先后任北部边域七郡太守。武帝即位，召为未央宫卫尉。元光六年，任骁骑将军，领万余骑出雁门击匈奴，因众寡悬殊负伤被俘。元狩四年，漠北之战中，李广任前将军，因迷失道路，未能参战，愤愧自杀。
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