此战，汉军全甲兵而还，卫青功不可没，因此被封为长平侯，食邑三千八百户。其部将苏建、张次公随征有功，分别被封为平陵侯、岸头侯。
元朔五年（前124年）春，武帝命卫青率领三万骑兵，从高阙出兵，卫尉苏建为游击将军，左内史李沮为强弩将军，太仆公孙贺为骑将军，代国相李蔡为轻车将军，都隶属车骑将军卫青；大行李息、岸头侯张次公则从右北平出兵。各路汉军一同出击匈奴。匈奴右贤王正对着卫青等人的主力，认为汉军不能到达此处，便喝得沉醉。夜晚时分，汉军突至，包围了右贤王。右贤王大惊，连夜遁逃，独自同他的一个爱妾和几百名精壮的骑兵急驰突围，向北而去。轻骑校尉郭成等追赶了数百里，没有追上。汉军俘虏右贤王的小王十余人，男女一万五千余人，牲畜达千百万头。随后，卫青凯旋而归。
汉武帝接到战报，派特使捧着印信，到军中拜卫青为大将军，加封食邑六千户（《汉书》载为八千七百户），节制诸将，位在丞相之上。卫青的三个儿子被汉武帝封为列侯：长子卫伉为宜春侯，次子卫不疑为阴安侯，幼子卫登为发干侯。卫青上表辞封，并推功于众将士。此役中，随从卫青作战的公孙敖、韩说、公孙贺、李蔡、李朔、赵不虞、公孙戎奴、李沮、李息、豆如意等都受到武帝的封赏，得封侯爵。
元朔六年（前123年）春，卫青指挥公孙敖、公孙贺、赵信、苏建、李广及李沮六将，分领六路大军，自定襄出发，北进数百里，“斩首数千级而还”。战后全军返回定襄休整，一个月后再次出塞，斩获匈奴军一万多人。但苏建、赵信所部三千余骑遭遇单于主力，赵信力战后领兵投降匈奴，苏建独自逃回。因这场战役“失两将军，亡翕侯（赵信），功不多”，故而卫青仅获赏千金。此外值得一提的是，卫青的外甥霍去病在此战中表现突出，被封为冠军侯，开始崛起为将坛新星。
元狩四年（前119年）春，汉武帝以十四万匹战马及五十万步卒作为后勤补给兵团，命卫青与霍去病各率领五万骑兵，步兵和运输物资的军队十万余人，兵分两路，跨漠远征，共同打击匈奴。汉军原计划由霍去病出定襄攻击，后从俘获的匈奴兵口中得知伊稚斜单于在东方，于是霍去病东出代郡，卫青西出定襄。
卫青大军出塞一千多里后，意外与伊稚斜主力遭遇。卫青命前将军李广和右将军赵食其两军合并，从右翼进行包抄。自率左将军公孙贺、后将军曹襄从正面对抗单于主力。卫青下令让武刚车排成环形营垒，又命五千骑兵纵马奔驰，抵挡匈奴。匈奴也有大约一万骑兵奔驰而来。恰巧太阳将落，刮起大风，沙石遮蔽天日，两军都无法看见对方，汉军左右两翼急驰向前，包抄单于部。伊稚斜单于见汉军势众，战士、战马强大，若是交战，对匈奴不利。
因此，在傍晚时单于就乘着六头骡子拉的车子，同大约几百名壮健的骑兵，径直冲开汉军包围圈，向西北奔驰而去。汉军继续与匈奴人厮杀，杀伤人数相当。汉军左校尉捕到匈奴俘虏，说单于在天未黑时已离去，卫青遂派轻骑连夜追击，自率主力跟随其后。匈奴军四散奔逃。直到天快亮时，汉军已行走二百余里，未追到单于，到达了窴颜山的赵信城，获得匈奴积存的粮食以供军队食用。汉军留住一日，把城中剩余的粮食全部烧掉才回师。此战，卫青所部总计斩俘一万九千余人。大军回营时，才遇到迷路失期未来支援的李广、赵食其部。
漠北之战击溃了匈奴在漠南的主力，逐渐向西北迁徙，十几年内再无南下之力。汉军占领了朔方以西至张掖、居延间的大片土地，保障了河西走廊的安全。而汉军损失也很大，出征的十四万马匹仅三万余匹返回。汉军士兵、马匹损失十几万，兵器甲仗等物水陆运输的费用还都不计算在内，于是倾尽库藏钱和赋税收入仍不足以供给战士的费用。汉武帝设置武功爵，以筹集军费。
凯旋回朝后，卫青没有得到增封食邑的赏赐，所部将士除西河太守常惠、云中太守遂成外，也没有受封赏。后来，为表彰卫青、霍去病的战功，武帝分别加封二人为大司马大将军、大司马骠骑将军，共同管理日常的军政事务，以代太尉之职。又经两次益封，卫青的食邑总计达到一万六千户至三万户之间（《史记》记载其所得封邑总共有一万六千七百户，《汉书》则有为二万二百户和三万户的不同记载）。
平阳侯曹寿死后，平阳公主改嫁汝阴侯夏侯颇。元鼎二年（前115年）后，夏侯颇因罪自杀，武帝遂命卫青娶平阳公主为妻。
元封五年（前106年），卫青病逝，汉武帝为纪念他的彪炳战功，在茂陵东北修建了一座阴山形状的墓冢，“起冢象庐山”。谥号为“烈”，取《谥法》“以武立功，秉德尊业曰烈”之意。
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