对于汉朝而言，由于此次战败，导致损兵折将十分严重，而对于匈奴来说，且鞮侯单于却是凭借此战声望大增，迅速稳固了自己的统治，匈奴各部得知消息纷纷投效。
更为严重的是，随着汉朝败于匈奴消息的传播，原本已经倾向于汉朝的西域各国，又开始重新变得摇摆了起来，导致汉朝多年来的努力几乎全部付诸东流。
天汉二年（前99年），得知汉军战败的消息，车师国又一次倒向了匈奴。接到奏报，汉武帝立即封归降汉朝的匈奴介和王成娩为开陵侯，命其率领楼兰国军队进攻车师国。
因为此前有赵破奴七百骑攻破楼兰和车师的先例，这次开陵侯率领的兵马并不多，他率领本部人马抵达楼兰后，将楼兰士兵召集了起来，然后自楼兰发兵进攻车师。此战，是继赵破奴攻破车师之后，汉匈“五争车师”中的第二战。
匈奴得知汉军出兵车师的消息后，右贤王立即派万余骑千里驰援车师，开陵侯成娩因为兵少，在与匈奴一番激战后，最终战败退兵，汉军争夺车师以失败告终。此战的失败，表明汉朝尚无法在短期内彻底控制车师地区。
天汉三年（前98年）秋，匈奴又大举入侵雁门关，烧杀掳掠一番后扬长而去。接到奏报，汉武帝大为恼怒，立即派人前往雁门郡，以畏缩惧敌为由，将雁门太守处死。
自此以后，匈奴南下活动越来越频繁，大有重新返回漠南的趋势。
为了扭转对匈奴作战的不利形势，制止匈奴频繁南掠，汉武帝决定对匈奴发动大规模的反击，重新将匈奴势力驱逐出漠南、赶回漠北。
为此，从天汉三年开始，汉武帝便开始为出兵匈奴做准备。为了补充军费，汉武帝甚至根据少府的建议，推行榷酒酤制度，禁止民间酿酒，将酿酒收归朝廷专卖。
天汉四年（前97年）春，汉武帝征发全国内应该强制服役的“ 吏有罪，亡命，赘婿，贾人，故有市籍，父母有市籍，大父母有市籍”等七种人，兵分四路大举进攻匈奴。
其中，以贰师将军李广利率骑兵六万、步兵七万出朔方郡，目标直指匈奴单于庭；强弩将军路博德率万余人出居延塞；游击将军韩说率步兵三万出五原郡；因杅将军公孙敖率万骑、步兵三万出雁门郡。
彼时，汉武帝从李陵残部口中已经得知了李陵与匈奴大军血战的经过，知道李陵乃是被迫投降匈奴，因此在此次出征前，汉武帝召见公孙敖，特地交代他，如果可能的话，将李陵接回汉朝。
此次战争，乃是继“漠北之战”后，汉军又一次大规模远征漠北地区。不过，相较于当初的“漠北之战”，历经多年的战争，汉朝的战马损失十分严重，已经无力像当初那样征调十几万匹战马，组成纯骑兵部队发动远征，而只能采用步骑混编的方式，确保远征部队拥有充足的兵力。
然而，正是因为此次出征的军队是步骑混编，使得汉军的行军速度大受影响，而这则给了匈奴人充足的应对时间。
且鞮侯单于得知汉军大规模北上的消息后，命令各部将妇孺家眷和财产全部北迁至余吾水（今蒙古国土拉河）以北，防止遭到汉军的劫掠，同时召集匈奴各部军队，共汇集十余万骑兵，于余吾水南岸驻扎，静待汉军的到来。
等到汉军历经长途跋涉，好不容易穿过了沙漠戈壁，踏上漠北土地。接到消息的且鞮侯单于，不等汉军站稳脚跟，便分别对几路汉军发动了进攻，其中派遣左贤王率军数万，迎战东路的公孙敖军，自己则亲率十万匈奴主力，迎战西部的李广利主力大军，以及与李广利会师的路博德所部。
李广利得知匈奴大军杀来，连忙命令步兵以战车布阵坚守，自己则亲率骑兵在外围游击，这才顶住了匈奴大军的进攻。
此后，李广利率军与且鞮侯单于在余吾水以南多次交战，虽然李广利和路博德两路汉军会师后，兵力远在匈奴之上，但以步兵为主的汉军，行动却不如匈奴骑兵迅捷，更多以被动应对为主，而难以主动发动进攻。
匈奴军队虽然凭借骑兵的机动优势，牢牢掌握着战场主动权，但由于汉军兵力充足，且应对得当，匈奴大军根本无法突破布阵坚守的汉军阵型，一时间也无法取胜。
双方激战十余日，结果互有胜负，折损兵力也大致相当，谁也无法彻底击败对方。
不过，汉军虽然顶住了匈奴军队的进攻，但随着时间的推移，形势对汉军来说却是越来越不利。原因很简单，匈奴毕竟是主场作战，在后勤补给方面拥有着绝对优势，而汉军不仅是长途奔袭，更由于步骑混编行军较慢，仅是在途中便消耗了大量粮草，虽然后方仍在源源不断的向前线输送粮草，但毕竟路途遥远，补给运送十分困难。
与匈奴交战十余日后，眼见粮草即将告竭，李广利在无法取得决定性胜利的情况下，为了避免全军陷入困境，只能率领军队撤退。
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