同年，楊青令老將出擊。老將李邕偏師出右北平，攻打左賢王呼邪和，以此策應李威的主力行動。李威率精騎三十萬出北地郡，繞道河西走廊之北，迂回縱深一千多公裡，遠出敵後，由西北向東南出擊，以秋風掃落葉之勢，大破匈奴各部。在祁連山與合黎山之間的黑河流域與河西的匈奴主力展開決戰。李威將軍騎於戰馬之上，望向對麵的匈奴騎兵，呼道：“大軍隨我出擊。”戰馬向前奔馳，在亂軍之中，揮舞手中的長槍左右刺出，斬敵十萬，俘獲匈奴各王五蟲及其王母、王子、相國百餘蟲，收降匈奴渾邪王部眾四十萬，占領河西走廊。漢朝在河西走廊設武威、酒泉、張掖、敦煌四郡，移民戍邊生產。河西之戰，給河西地區的匈奴大軍已毀滅性的打擊，打通漢朝通往西域的道路，以此切斷匈奴之右臂。
張之文入烏孫王廷，站於大殿之上道：“大昆彌，我大軍已控製了河西，匈奴的實力受到重創，此時不出兵更待何時？”大昆彌起身道：“張先生，你是我烏孫與月氏之統帥，出擊永固城。”如今的永固城已是一座孤城，沒有援軍。張之文集結大軍於城牆之下，下令大軍猛攻。大軍對永固城是連番的攻擊，終是疲憊迎敵，最後是全麵攻城，箭羽向上射去，大軍如潮水般湧來，撞開城門，殺進。永固城被攻陷，守將維京棄城而逃。
在漠北大營，大單於莫釋坐於上，問道：“漢軍奪得戰爭的主動權，此次失敗孤是不甘心啊！孤將親率大軍再次南下襲擾漢軍。”降將李信站出道：“大單於，此行是乎有些不妥。”大單於莫釋道：“將軍心中可有殲敵之計？”降將李信道：“在我漠北大營之北，是茫茫的大漠，將部眾、牲畜、輜重遷移到更遠的北方，以精兵引漢軍追擊而來，以我軍之長擊漢軍之短。”
張之文率領聯軍攻占了漠北大營，此時的匈奴大軍早已撤去，這裡已是一座空營。張之文率軍駐紮於此，等待漢軍的到來。
武帝集結騎兵四十萬，分彆由大將軍楊青，驃騎將軍李威統率，另有步兵八十萬，馬匹二十餘萬配合騎兵主力行動。楊青與李威受命之後，各率二十萬精騎分彆出定襄與代郡，沿東西兩路北進，決心在漠北與匈奴大軍展開會戰。楊青出塞之後，得知匈奴單於的戰略意圖，率主力大軍直撲單於之所在，橫渡大沙漠，北進幾百公裡，尋殲單於本部。又令張之文所率領的聯軍二十萬，老將李邕所率領的步兵八十萬從東麵迂回策應。楊青所率之主力與單於所率的騎兵相遇。楊青下令用武剛車環繞為營，以防匈奴十萬騎兵的襲擊，指揮十五萬精騎向單於大軍發起猛攻，與單於的十萬大軍應戰。兩軍鏖戰至黃昏，大風驟起，風沙撲麵，兩軍難辨彼此。張之文率領聯軍二十萬與楊青率領十五萬精騎左右迂回包抄，匈奴戰敗，單於莫釋駕車向西北逃遁。楊青派出輕騎連夜追擊，主力隨後跟進，挺進寘顏山的趙信城。
李威率領十五萬精騎出代郡與右北平，挺進一千公裡，橫穿大漠，與左賢王呼邪和所率領的八萬的騎兵交戰，儘殲其精銳。左賢王呼邪和棄軍而逃，李威趁勝追殺，直抵狼居胥山。驃騎將軍李威駕著奔馳的戰馬，拉弓搭箭，對準奔馳在前方的左賢王呼邪和射去。左賢王呼邪和中箭落馬，被馬蹄踩踏至死。驃騎將軍李威射殺左賢王呼邪和之後登上狼居胥山，築壇祭天以告成功。
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