當商丘成軍退至蒲奴水（今蒙古翕金河）時，李陵他們就率匈奴軍撤軍了。
重合侯馬通一軍是4萬騎兵，出酒泉後，突進千餘裏至天山，遇到了匈奴大將偃渠和左右呼知王所統率的２萬餘騎兵。
雙方接戰時，偃渠見漢軍人數是他們的一倍，先就膽怯了，竟不戰自退。
馬通打內戰打太子時很勇猛，打匈奴卻絲毫沒有衛青和霍去病的衝勁，見匈奴撤退，居然沒敢追擊，也撤軍南返了！
於是他這一路軍算是白跑一趟，無功而返。
反而是這一路的側翼倒有意外收獲，為了保障馬通軍側翼的安全，武帝令闓陵侯成娩率樓蘭、尉犁、危須等西域６國之兵，進攻親匈奴的車師。
成娩軍大獲全勝，盡俘車師王及其吏民而歸。
貳師將軍李廣利那一路軍出塞後，進兵至夫羊句山，遇上了匈奴右大都尉及衛律所率的５千騎兵。
李廣利的兵力是匈奴軍的十幾倍，匈奴軍頓時著慌。
李廣利以２千騎兵出戰，殺傷了匈奴軍數百人，匈奴軍潰散。
李廣利揮軍向北追擊，一路掃蕩，無人敢擋，一直打到範夫人城。這個城在今蒙古南戈壁省達蘭劄達加德西，是以前一位漢軍邊將的夫人範氏率軍民修築的，故名範夫人城。
然而，正當李廣利軍越打越順利時，後方突然傳來一個極壞的消息：長安出事了，又是巫蠱之事！
原來，負責掌管宮中帷帳及衣物的內者令郭穰向武帝告發，說丞相劉屈氂的夫人搞巫蠱，詛咒皇上。
武帝派人調查，結果把劉屈氂私下裏跟李廣利合謀要支持昌邑王當太子的事也牽出來了！
武帝大怒，下令以大逆不道罪逮捕劉屈氂，先將他放在裝載食物的車子上遊街示眾，然後押往長安東市腰斬。
劉屈氂的夫人和兒子則押赴華陽街斬首，然後將他們的頭顱掛在旗杆上示眾。
李廣利跟劉屈氂同罪，由於他出征在外，暫時不能治他罪，就把他的妻子兒女逮捕了，等李廣利出征歸來一同處置！
李廣利得到這一消息後，異常驚恐憂愁。
李廣利帳中有一幕僚叫胡亞夫，他是因犯了罪為避罪而從軍的，他勸李廣利幹脆投降匈奴。
李廣利沒有同意，決定繼續揮軍深入打擊匈奴，想以軍功換取武帝對自己和家人的免罪。
於是，李廣利軍向北挺進直至郅居水畔。
這時匈奴早已退走，李廣利命護軍率２萬騎兵渡過郅居水去尋找匈奴決戰。
２萬漢軍騎兵渡過郅居水後終於與匈奴左賢王部左大將所統率的２萬匈奴騎兵相遇。雙方激戰１日，漢軍殺匈奴左大將，斬殺甚眾，得勝而回。
有了這個勝仗，李廣利心裏還不踏實，怕武帝仍然不會放過他，還想立更大的功來贖罪。
李廣利軍中的長史和決眭都尉煇渠侯覺得李廣利這樣為了立功贖罪拿全軍去冒險，早晚會被匈奴擊潰。兩人決定把李廣利拘禁起來，然後率軍南撤。
李廣利得知了他們的陰謀，立即斬殺了長史。
然而，對李廣利拿全軍冒險不滿的不僅僅是那兩人，事實上全體將士都不願意再打了，士卒早已極度疲勞。
李廣利無奈，隻得下令撤軍。
可是，這時撤軍已經晚了！
當李廣利軍退至燕然山（今蒙古杭愛山）時，匈奴狐鹿姑單於親領５萬騎兵來攔截他們。
雙方發生了激戰，誰也沒占到便宜，雙方的傷亡都很大。
匈奴乘夜在漢軍陣前挖了一條深數尺的壕溝，然後從漢軍背後發動猛攻。
漢軍大亂，潰不成軍。
李廣利走投無路，隻得投降。