汉武帝征伐匈奴大致可以分为两个阶段，第一阶段是卫青（旷日持久的史诗战争——一文读懂汉武帝攻伐匈奴始末（二：七出塞外的卫青））、霍去病（旷日持久的史诗战争——一文读懂汉武帝攻伐匈奴始末（四：少年天才霍去病））、李广（旷日持久的史诗战争——一文读懂汉武帝攻伐匈奴始末（三：李广难封））为代表的将军，从汉武帝元光二年（前133年）马邑之战开始，至汉武帝元狩四年（前119年）的漠北之战结束。之后中间经历15.6年的和平（旷日持久的史诗战争——一文读懂汉武帝攻伐匈奴始末（五：短暂的和平））。
从从汉武帝太初二年（前103年）的浚稽山之战开始，汉匈之战再次打响，这一阶段的领军人物为李陵（旷日持久的史诗战争——一文读懂汉武帝攻伐匈奴始末（七：李陵降匈奴）、李广利为代表，但这一阶段基本没能取得什么战果。汉武帝征和三年（前90年），李广利率军深入漠北，汉军全军覆没。至此，汉朝暂时停止对匈奴的攻击。匈奴得以重新掌控漠北。
劳师无功
天汉二年（前99年），夏季五月，汉武帝派贰师将军李广利率三万骑兵从酒泉出兵，攻打在天山的匈奴右贤王，斩杀匈奴一万多人返回。途中匈奴将贰师将军的部队包围，汉军缺乏粮食又被包围了数日，伤亡很多。假司马陇西郡人赵充国率壮士一百多人突破匈奴的重围，贰师将军率领军队跟随其后冲出包围圈。
汉兵阵亡、物资损失了十之六七，赵充国身受二十余处创伤。贰师将军将此奏报给汉武帝，汉武帝下诏书让赵充国道行在，亲自接见他，察看他的伤势，赞叹不已，封他为中郎。汉武帝又派因杅将军公孙敖率军出西河郡，与强弩都尉路博德会师在涿涂山，无功而返。
汉武帝天汉三年（前98年），秋季，匈奴入侵雁门郡，雁门郡太守因畏缩怯战，被处死。
天汉四年（前97年），春季正月，征发全国“七科谪”（犯罪的官吏、亡命徒、上门女婿或奴婢、商人及其家属）和勇敢之士等，派贰师将军李广利率领骑兵六万、步兵七万从朔方郡出塞；派强弩都尉路博德率一万多人去与贰师会合；游击将军韩说率领步兵三万人从五原郡出塞；因杅将军公孙敖率领骑兵一万名、步兵三万名从雁门郡出塞。
匈奴听到消息，就将辎重、资产全都运到余吾水以北地区，单于则亲率十万大军在余吾水以南，迎战贰师将军李广利。李广利军与单于军连续战斗十多天未能取胜，撤军而还。游击将军韩说也没收获。公孙敖与左贤王交战，失利，引兵而归。这时汉武帝派公孙敖深入匈奴腹地迎接李陵，公孙敖也无功而还。
三路出击
汉武帝太始元年（前96年）。匈奴且鞮侯单于死了。且鞮侯单于有两个儿子，长子为封为左贤王，次子为左大将。因左贤王没赶回王庭，匈奴贵族认为他病了，改立左大将为单于。左贤王听到消息后，不敢前往王庭，左大将派人将左贤王请来，把单于位让给他。左贤王以自己有病为推辞，左大将不听，对他说：“如果您真有病，不幸死去，再传位给我。”左贤王才同意，被立为狐鹿姑单于，后封左大将为左贤王。数年之后，左贤王病死，他的儿子先贤掸没能成为左贤王，改任日逐王，单于改封自己的儿子为左贤王。
汉武帝征和二年（前91年），九月，匈奴入侵上谷、五原二郡，屠杀掳掠当地的百姓和官吏。
汉武帝征和三年（前90年），春季，正月，匈奴侵入五原、酒泉二郡，杀死两郡的都尉。三月，汉武帝派李广利率七万人从五原郡出兵，商丘成率二万人从西河郡出兵，马通率四万骑兵出酒泉郡，去攻打匈奴。夏季，五月，匈奴单于听到汉军大举进攻后，便把全部辎重向北转移到郅居水，左贤王驱赶他的部众渡过余吾水到达六七百里，居住在此地的兜衔山，单于亲自率领精兵渡过姑且水。
商丘成率军来到追邪径，未发现匈奴的踪迹，回军。匈奴派大将与李陵率三万多骑兵追击汉军，转战九日，到蒲奴水，匈奴见形势不利，退兵而去。马通率军到了天山，匈奴派大将偃渠率二万多骑兵阻截汉军，见汉军强盛，也退回去，马通的部队没什么损失。这时，汉军害怕车师出兵拦截马通军，派开陵侯成娩率楼兰、尉犁、危须等六国的军队共同围攻车师，俘虏了车师王和当地的民众而还。
贰师将军率军出塞后，匈奴派右大都尉与卫律率五千骑兵在夫羊句山的狭道上截击汉军，贰师将军李广利将匈奴军打败，乘胜向北追击到范夫人城，匈奴军奔逃，不敢再与汉军对阵。
李广利投降
当初，贰师将军李广利出塞时，丞相刘屈氂为他祭祀路神，并送到渭桥。李广利说：“希望您尽早上奏皇上立昌邑王为太子，如果他能即皇帝位，以后您还有什么可担忧的呢！”刘屈氂承诺了。昌邑王是李广利妹妹李夫人的儿子。李广利的女儿是丞相刘屈氂的儿媳妇，所以他们都想立昌邑王为太子。
此时，内者令郭穰告发说丞相刘屈氂的夫人诅咒皇上，而且还和贰师将军一起祈祷神灵，要让昌邑王当皇帝。汉武帝派人调查此事，情况属实，判其为大逆不道的罪行。征和三年（前90年）六月，汉武帝下令将刘屈氂装厨车上游街示众，后将他腰斩于东市，妻子在华阳街被砍了头。
李广利的妻子儿女也被逮捕。李广利听到消息后担忧害怕，他的副官胡亚夫也因逃避罪行而从军，对贰师说道：“您的夫人及家属都被逮捕入狱，您回去要是不合皇上心意，正好被这个案件牵连上，到那时候，您也被杀了，再去郅居水以北去投降匈奴，还有可能吗！”
贰师由此狐疑不定，但仍然想深入匈奴腹地立功，使皇帝回心转意，于是率军追击到郅居水畔，但匈奴已经离去。贰师派护军将领率领二万骑兵渡过郅居水，正与匈奴左贤王、左大将率领的二万骑兵相遇，两军交战了一天，汉军杀了左大将，匈奴军死伤惨重。
汉军的长史与决眭都尉辉渠侯商议说：“李广利将军怀有二心，想胁迫危害众人以求立功，恐怕必定要失败。”两人谋划，一起拘捕擒拿贰师。贰师听到消息后，杀了长史，率军撤退到燕然山，单于知道汉军已十分疲劳，便亲率五万骑兵拦击贰师，双方相互攻杀，伤亡都很惨重。
夜里，匈奴军在汉军前进的路上挖了数尺深的壕沟，从汉军背后进行猛烈攻击，汉军大乱失败，贰师将军于是投降了匈奴。单于平时就知道李广利是汉朝大将，便将女儿嫁给他为妻，对他的尊宠超过卫律。李广利的家族也因此被皇上全部处以死刑。
与民休息
汉武帝征和四年（前89年），夏季六月丁巳（二十五日），任命大鸿胪田千秋为丞相，封其为富民侯。田千秋没有其他的才干，也没有什么经历和功劳，只因一句话使汉武帝如梦初醒，就在数月之间取得宰相的职位，被封为侯，这是很少见的事。
然而田千秋为人敦厚，有智慧，身居相位很称职，成绩超过前后的几位丞相。先前，搜粟都尉桑弘羊与丞相、御史上奏说：“轮台东有可灌溉的农田五千顷以上，可以派屯田兵去垦荒种植，设置校尉三人分别进行管理，多种植五谷。由张掖、酒泉二郡派假司马带领侦察兵巡逻保护屯田，招募身体强壮敢于迁徙到边塞的人去灌溉垦荒，逐渐修筑亭燧，一直连起来向西延伸，用来威震西域诸国，辅助乌孙。”
汉武帝便颁布诏书，陈述以往的所作所为，自己后悔不已。汉武帝下诏说曰：“前有司奏，欲益民赋三十助边用，是重困老弱孤独也。而今又请遣卒田轮台。轮台西于车师千余里，前开陵侯击车师时虽胜，降其王，以辽远乏食，道死者尚数千人，况益西乎？曩者朕之不明，以军候弘上书言匈奴缚马前后足置城下，驰言‘秦人，我匄若马’。又汉使者久留不还，故兴遣贰师将军，欲以为使者威重也。古者卿大夫与谋，参以蓍龟，不吉不行。乃者以缚马书遍视丞相、御史、二千石、诸大夫、郎为文学者，乃至郡、属国都尉等，皆以‘虏自缚其马，不祥甚哉’。或以为‘欲以见强，夫不足者视人有余’。公车、方士、太史、治星、望气及太卜、龟蓍皆以为‘吉，匈奴必破，时不可再得也’。又曰‘北伐行将，于鬴山必克。卦，诸将，贰师最吉’。故朕亲发贰师下鬴山，诏之必毋深入。今计谋、卦兆皆反缪。重合侯得虏候者乃言‘缚马者，匈奴诅军事也’。匈奴常言‘汉极大，然不耐饥渴，失一狼，走千羊’。乃者贰师败，军士死略离散，悲痛常在朕心。今又请远田轮台，欲起亭隧，是扰劳天下，非所以优民也，朕不忍闻！大鸿胪等又议欲募囚徒送匈奴使者，明封侯之赏以报忿，此五伯所弗为也。且匈奴得汉降者常提掖搜索，问以所闻，岂得行其计乎！当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农，修马复令，补缺、毋乏武备而已。郡国二千石各上进畜马方略补边状，与计对。”
从此，汉朝不再对外用兵，并封丞相田千秋为富民侯，以此表示，从今以后使百姓休息，希望能增加财富，养育百姓。