汉军总兵力为十四万人，除左路重合侯马通部队外，其余估计为步骑混合部队。汉的目的是寻求同匈奴主力会战，值得注意的是其左路重合侯马通,将四万骑出酒泉向天山方向进击，正是当年李广利出击的方向，汉试图再次染指西域，消除匈奴在西域的影响。

据武帝《轮台诏》说，战前，为确保胜利，“卿大夫与谋，参以蓍龟，不吉不行。乃者遍召群臣，又筮之，卦得《大过》，爻在九五，曰：‘匈奴困败。’方士占星气，大卜蓍龟，皆为吉，匈奴必破，时不可失。卜诸将，贰师最吉。”，这样，通过迷信的方法，屡战屡摆的贰师将军贰师将军李广利再次被任命为主力军统帅。这最后被证明是上天给汉武帝开了一个玩笑。

李广利出师，丞相刘屈牦送行到谓水，两人进行了秘谈，他们认为武帝年老身体不好，而太子已死，武帝一直未决定继承人。他们决定一旦武帝不测，立李夫人之子昌邑刘髆为帝。

匈奴得到汉兵大出的消息后，采用策略依然是老办法，各部悉弃其辎重，单于部徙赵信城北抵郅居水（色楞格河，在今杭爱山北麓，流入贝加尔湖）。左贤王也急忙驱其人民渡余吾水六、七百里，退居兜衡山，远远避开汉军。狐鹿姑单于自率精兵渡过姑且水（杭爱山东南）防范汉军主力。

李广利出五原后进展顺利，他率所部七万向夫羊句山(今外蒙古古里精呼都克)前进,匈奴单于遣其右大都尉及卫律将五千骑,企图利用有利地形阻击李广利军于夫羊句山峡。李广利遣西域胡骑二千进击,杀敌数百,匈奴败退，于是李广利趁胜追击,至于范夫人城(其地望已不可考)。

与此同时，右路军御史大夫商丘城,率领三万余人出西到达目的地追邪径，没有发现敌人，引兵归还。匈奴军企图乘汉军撤退之际发兵邀击，命令其大将与李陵将三万余骑追汉军，至浚稽山追上了汉军，与汉军会战。双方转战九日，汉兵陷陈却敌，杀伤虏甚众,匈奴军边打边撤，向东撤至蒲奴水，匈奴军发现不但占不了便宜，还死伤惨重，于是退兵。

为确保左路军侧翼安全，汉恐车师兵派兵威胁重合侯马通军侧翼，乃由闿陵侯率领汉-西域联合部队进攻车师，功破其城，俘虏车师王及民众而还。这是汉军对车师的第二次军事行动。

重合侯马通渡过蒲奴水向西转到天山进攻左贤王,左贤王使大将偃渠与左右呼知王将二万骑迎击,发现汉军兵力强盛，人数为其二倍,大为恐惧,引军撤退。马通没有战果，也只得撤退。

此时主力军李广利到达目的地范夫人城，此时可以说形式一片大好。匈奴军士气低落，居然无人敢同汉军抗拒。此时，如果汉军就此结束，也不失为一场胜仗。