“第二年，天子與諸将商議說：‘翕侯趙信為單于出謀劃策，總認為漢朝的士卒不能橫穿沙漠輕易停留，現在我們發大軍出征，一定會取得勝利。’這一年是元狩四年。’”

元狩四年（前119）春天，武帝命令大将軍衛青、骠騎将軍霍去病各率五萬騎兵，幾十萬步兵和轉運物資的人跟随其後，而那些敢于奮力戰鬥和勇于深入的士兵都隸屬于骠騎将軍。骠騎将軍開始要從定襄出兵，迎擊單于。後來捕到的匈奴俘虜說單于向東而去，于是就改令骠騎将軍從代郡出兵，命令大将軍衛青從定襄出兵。郎中令李廣做前将軍，太仆公孫賀任左将軍，主爵都尉趙食其任右将軍，平陽侯曹襄任後将軍，他們都隸屬大将軍。大軍随即越過沙漠，連人帶馬共五萬騎兵，同骠騎将軍等都攻打匈奴的單于。

趙信替單于出謀劃策說：“漢軍已越過沙漠，人困馬疲，匈奴可以坐收漢軍俘虜了。”于是把他們的辎重全部運到遙遠的北方，全把精兵安排在大漠以北等待漢軍。

正碰上大将軍衛青的軍隊開出塞外一千多裡，看見單于的軍隊排成陣勢等在那裡，于是大将軍下令讓武剛車排成環形營壘，又命五千騎兵縱馬奔馳，抵擋匈奴。匈奴也有大約一萬騎兵奔馳而來。恰巧太陽将落，刮起大風，沙石打在人們的臉上，兩軍都無法看見對方，漢軍又命左右兩翼急馳向前，包抄單于。單于看到漢朝軍隊很多，而且戰士和戰馬還很強大，若是交戰，對匈奴不利。因此，在傍晚時單于就乘着六頭騾子拉的車子，同大約幾百名壯健的騎兵，徑直沖開漢軍包圍圈，向西北奔馳而去。這時，天已黃昏，漢朝軍隊和匈奴人相互扭打，殺傷人數大緻相同。漢軍左校尉捕到匈奴俘虜，說單于在天未黑時已離去，于是漢軍就派出輕騎兵連夜追擊，大将軍的軍隊也跟随其後。匈奴的兵士四散奔逃。直到天快亮時，漢軍已行走二百餘裡，沒有追到單于，卻俘獲和斬殺敵兵一萬多人，于是到達了窴顔山趙信城，獲得匈奴積存的糧食以供軍隊食用。漢軍留住一日而回，把城中剩餘的糧食全部燒掉才歸來。

在大将軍衛青同單于會戰時，前将軍李廣和右将軍趙食其的軍隊從東方的道路進軍，因為迷了路，沒能如期同衛青同攻單于。直到大将軍衛青領兵回到大漠以南時，才遇到前将軍和右将軍。大将軍想派使者回京報告天子，就命令長史去按文書所列罪狀審問前将軍李廣，李廣自殺。右将軍回到京城，被交給法官，趙食其交了贖金，成為平民百姓。大将軍衛青進入邊塞，此次總共斬獲敵兵一萬九千人。