二年，匈奴袭掠上谷（郡治沮阳，今河北怀来东南）、五原（郡治九原，今内蒙古包头市西北），杀掠吏民；三年春，匈奴袭掠五原、酒泉（郡治禄福，今甘肃酒泉市），杀汉两郡都尉。三月，武帝刘彻遣李广利率军７万从五原出塞击匈奴。匈奴单于闻汉军至，徙其辎重于郅居水（今蒙古北部之色楞格河），左贤王驱其部众渡余吾水（今蒙古境内土拉河）至余吾水北六、七百里之兜衔山。单于自率精兵渡姑且水（今蒙古图音河）。汉军至，匈奴以右大都尉卫律（西汉降将）率５０００骑击李广利军于夫羊句山峡（约在今蒙古达兰扎达加德附近），被汉军击败，死伤数百人。汉军追击至范夫人城（约在夫羊句山峡以北）。时李广利曾因与丞相刘屈？相谋立李夫人（汉武帝宠姬，李广利之妹）之子昌邑王为太子获罪，其妻又因巫蛊被捕，欲深入击匈奴以求功赎罪，故冒险北进，遣护军率２万骑渡郅居水，与匈奴左大将、左贤王２万骑苦战一日，杀左大将，斩俘甚众。李广利退军至燕然山时，匈奴单于知汉军疲惫，率５万骑遮击广利军，杀伤甚众。当夜，单子军挖数尺深之堑壕于汉军前，又从后击之，汉军大乱，为匈奴围歼，李广利降匈奴。为配合李广利作战，遣御史大夫商丘成率军３万（一说２万）出西河（郡治平定，今内蒙古东胜境）、重合侯马通（一作莽通）率４万骑出酒泉击匈奴，均无功而返。
点评：此战，匈奴单于采取主力远移，待汉军疲惫时进行反击的战术，获得成功。汉军兵力分散，用人失误遭惨败。此后，汉武帝下诏罪己，停止对匈奴的反击。燕然山之战，是汉武市在位期间与匈奴的最后一次大战，也是他用兵匈奴以来最大的一次失败。这次败仗，使汉武帝受到了极大的震动，“悔远征伐”。长期的战争，不仅使国力遭到巨大的消耗，导致国库的空虚，而且人民的路役赋税负担极其沉重，导致阶级矛盾的激化，农民大批逃亡，武装起义不断发生。这一切，使汉武帝意识到，无限制地对匈奴发动战争实在得不偿失。他经过深刻反省，决心改弦更张。征和四年（前８９年）六月，遂发行著名的轮台诏令“探陈既往之悔”，从此，汉武帝不再主动出兵进攻匈奴，由尚武而转向重视农耕，重新实行休养生息的政策。
