這次攻打匈奴的戰略目標很明確，就是收複原先趙武靈王時開拓的北部地盤，將河南地完全奪回來。河南地不是河南省，是指河套地區以南的地盤，所以是現在河北的北部地區。
匈奴部落比較分散，蒙恬決定兵分兩路，一路從上郡出發，從陝西榆林進入河套北部，一路從原先義渠的地盤進入河套南部。匈奴自從被李牧打得落花流水後，重心向北遷移，主力集中在陰山和賀蘭山地區，在河套地區的兵力比較薄弱。
匈奴雖然很囂張，老是來燒殺掠奪，但遇到正規的秦軍，完全不是對手。而且匈奴完全想不到秦朝突然發力，派了那麼大支的軍隊過來。秦軍在河套地區的戰爭非常順利，沒有遇到過什麼有力的抵抗，很快就收複了河南地。
蒙恬意識到這幾次的小打小鬨並沒有傷及匈奴的元氣，一旦他們休整好了又會卷土重來。蒙恬於是率領軍隊守在河南地，等冬天一過，在公元前214年的春天，立刻率領大軍開往陰山和賀蘭山地區，攻打匈奴主力。頭曼單於正準備集結兵力南下，沒想到秦軍突然發動了猛攻。
雙方主力交戰，匈奴不管是人數還是裝備，都處於絕對劣勢，蒙恬數戰數捷，匈奴傷亡慘重。頭曼單於被迫帶領匈奴殘部退出了陰山和賀蘭山地區，向北逃竄了七百多裡，一直逃到了銀山以北的漠南一片。相比於百越戰爭，北擊匈奴取得了完勝。
雖然匈奴跑了，但神仙的那五個字給秦始皇帶來了很大的心理陰影。秦始皇不敢大意，讓蒙恬帶著三十萬大軍駐守邊疆防禦，並在河南地設置了九原郡，劃分了三十四個縣，後來還遷移了三萬戶人口到九原郡，鞏固治理。這還不算完，秦始皇為了防範匈奴人日後南下，下令修築長城。