他逐渐地表现出想要晋升的意图，这些话都是话里有话。汉武帝听了卜式的话后，点了点头。回到宫中后，汉武帝就发布了诏书，任命卜式为缑氏县的县令。卜式这次没有再推辞，交卸了牧羊的任务后，就接过官印去管理百姓了。由此可见，他之前可能是在故意装腔作势。
由于通过赋税征收得到的收入足够支付军队的军饷，汉武帝于是再次考虑发动北伐，他准备了充足的粮草，打算借此机会大举进攻。在元狩四年的春天，汉武帝派遣大将军卫青和骠骑将军霍去病，各自率领五万骑兵，去攻打匈奴。郎中令李广也主动请求参战，但汉武帝因为他年纪太大而不愿意让他去。然而，李广一再坚持请求，汉武帝才最终同意让他担任前将军，并让他与左将军公孙贺、右将军赵食其、后将军曹襄一起，全部归大将军卫青统一指挥。卫青入宫向汉武帝辞行，准备出发征战。汉武帝当面嘱咐他：
“李广年纪已经很大了，而且运气一直不太好。不要让他独自去面对单于。”
卫青接受命令后，带着大军从定襄出发。他们在路上抓获并审问了匈奴人，据这些匈奴人说，单于现在住在东方。于是，卫青派人将这个情报报告给汉武帝。汉武帝随后下诏命令霍去病，让他单独从代郡出发，独立负责一路的战事。于是，霍去病与卫青分兵，带着校尉李敢等人，指挥军队自行前往。这次汉朝军队出征塞外，跟以前几次的情况都不一样。除了卫青和霍去病各自带领的十万大军，后面还跟着数十万的步兵作为后援，公私马匹加起来总共有十四万匹。这真是一场举全国之力发动的远征，目标就是要平定匈奴。匈奴的侦察骑兵很快就把这个消息报告给了伊稚斜单于，单于一听也慌了神，赶紧准备迎战。赵信给单于出了个主意，建议把辎重都转移到漠北去，同时加强戒备，用养精蓄锐、以逸待劳的方法来对付汉军。单于觉得这个计策很好，就按照赵信说的去做了。
卫青连续多日带兵向前推进，但一直没有遇到大规模的敌军。于是，他不断派出侦察兵，到四面八方去侦察敌情。后来听说单于已经迁移到了漠北地区，卫青便打算率领军队深入敌境，直接攻打匈奴的巢穴。然而，他心中暗自想起汉武帝之前的密令，认为不应该让李广独自面对单于的锋芒。于是，卫青命令李广和赵食其合兵一处，向东行进，并设定了会合的期限。但是，东边的道路既远且绕，还缺乏水草，所以李广并不愿意前往。他走进卫青的营帐，自己向卫青请求说：
“我李广受命担任前将军，理应作为国家的先锋部队。现在大将军却让我走东边的道路，这实在不符合我的意愿。我更愿意率先杀敌，即使战死沙场，也毫无怨言！”
卫青没有直接说明不派李广当前锋的原因，只是摇了摇头，没有回答。李广感到十分愤怒，气冲冲地离开了，满心不悦地启程了。赵食其则没有明确表态，跟着李广一起出发了。在遣走了李广之后，卫青指挥大军继续深入，又前进了好几百里，才终于遇到了匈奴的大本营。他立刻下令扎营，并用武刚车将营地四面围住。武刚车是一种装有帷幔和车篷、非常坚固的战车，可以作为营地的壁垒，是古代行军打仗时的重要防御工具。营地扎稳之后，卫青就派遣了五千名精锐骑兵前去挑战，匈奴方面也出动了一万名骑兵前来迎战。天色已经渐渐暗了下来，突然间刮起了一阵大风，飞沙走石，天昏地暗。尽管两军已经摆开阵势，面对面地对峙着，但由于风沙太大，彼此都看不清对方的情况。卫青抓住了这个时机，指挥大军迅速行动，将队伍分成左右两翼，同时向前进攻，对匈奴的大营形成了包围之势。匈奴的伊稚斜单于此时还在大营之中，他听到外面喊杀声震天动地，形势十分危急，心中不由得有些胆怯，想要逃避。于是，他悄悄地率领了几百名精锐骑兵，从帐篷后面突围而出，自己骑着一匹六骡马，径直向西北方向逃去。而其他的匈奴士兵则没有单于那么幸运，他们仍然被汉军紧紧包围着，只能拼死抵抗。两军从半夜一直激战到天亮，都有不少士兵伤亡。汉军的一个左校单位捕获了几名单于的亲兵，通过审问得知单于在黄昏之前就已经逃跑了。他们立刻把这个消息报告给了卫青，卫青急忙派出轻骑兵去追赶，但已经来不及了。等到天亮的时候，匈奴的士兵也已经四处逃散。卫青亲自率领大军继续前进，急行军二百多里后，才接到前面骑兵的报告，说单于已经逃得很远了，无法再追赶和抓捕。不过，前方探子还报告说，在寘颜山有一座赵信城，里面贮存了大量的粮食，还没有被运走。于是，卫青直接带领军队来到了赵信城，果然发现里面贮存了大量的粮食。这些粮食正好可以用来补给军队，士兵们都可以饱餐一顿。原来，这座赵信城原本是赵信的领地，因此就用了他的名字来命名。
汉军在赵信城里停留了一天，之后卫青就下令准备撤军回朝。等全军都离开城池后，他干脆下令放火烧城，将赵信城彻底焚毁，然后才率军返回。当他们回到漠南地区时，才看见李广和赵食其的军队姗姗来迟。卫青责备他们两人没有按时到达，应当受到军法处置，赵食其没有敢提出任何异议。而李广呢，他原本就不愿意往东走，这次又因为迷路而耽误了行程，有罪而无功，他气得胡须都竖了起来，却一句话也没说。这终究是因为他过于顾全大局、讲究客气，结果反而误了自己的大事。卫青派长史带着酒食去催促李广到他的幕府去接受军法审问。李广愤怒地对长史说：
“各位校尉都没有错，是我迷了路，没有完成好任务，我应该自己去接受审问！”
说完，他就快步走到幕府，流着泪对将士们说：
“我从年轻时就参军打仗，和匈奴打了大大小小七十多仗，每次打仗都是勇往直前，从不退缩。这次我跟随大将军出征匈奴，大将军却让我往东走，结果我迷了路，没有按时到达，这难道不是天意吗？我现在已经六十多岁了，死了也不算短命，怎么能再面对那些执笔写状的官吏，乞求他们的怜悯来保命呢？算了算了！我今天就和大家永别了！”
说到这里，李广突然拔出腰间的佩刀，朝着自己的脖子狠狠一挥，随即倒在地上，没了气息。将士们看到李广自杀，想要抢救却已经来不及了，于是他们开始为李广哀悼。
却说李广因为迷路而耽误了约定的时间，他愤怒又绝望，最终选择了自杀，军士们来不及抢救，只能一起为他哀悼。就连远近的居民，听说李广自杀的消息后，也都流下了眼泪。李广一生对待士兵宽厚有恩，行军时从不侵扰百姓，所以士兵和百姓都对他既敬畏又怀念，无论是否认识李广，听到他的死讯都无不感动落泪。而李广的堂弟李蔡，才能远远不如李广，却反而因为跟随征战有功，被封为乐安侯，后来还升任为丞相。只有李广，尽管他拼死战斗了无数次，却从未获得过封侯的荣耀。他曾经和术士王朔谈起过这件事，王朔便问李广，是否在战场上滥杀过无辜？李广沉默思考了好一会儿，然后才回答道：
“我以前做陇西太守的时候，曾经诱杀了八百多名已经投降的羌人，到现在我还非常后悔，难道是因为这件事，让我受到了报应，不能得到应有的封赏吗？”
王朔说：
“最大的灾祸莫过于杀害已经投降的敌人，将军您不能封侯，确实是因为这件事。而且，您之前杀那个霸陵尉也是不对的。”
李广听后，不住地叹息。最终，他竟在边疆自杀身亡，遗体被运回南方安葬。他有三个儿子，长子名叫李当户，次子名叫李椒，三子名叫李敢，都担任过郎官。长子李当户早逝，次子李椒后来出任代郡太守，但也比李广先一步因病去世。只有三子李敢当时正跟随着骠骑将军霍去病，从代郡出发去征战。（这些情节在前面的故事中已经提及过。）霍去病率领大军深入大漠两千多里，与匈奴的左贤王军队相遇，双方交战了多次，霍去病都取得了胜利。他擒获了屯头王、韩王等三位匈奴王，以及八十三位匈奴将领和官员，还俘获了无数的匈奴士兵和物资。左贤王战败后逃走，于是霍去病在狼居胥山举行了祭天大典，又在姑衍山举行了祭地仪式，还登临了瀚海（大沙漠），然后才率领大军返回朝廷。汉武帝非常高兴，于是又增加了霍去病的封地，一共五千八百户。同时，李敢也被加封为关内侯，享有二百户的封邑。然而，卫青的功劳没有霍去病大，所以没有获得额外的封赏。不过，汉武帝特别设置了大司马这个官职，并让卫青和霍去病两人兼任此职。赵食其因为迷路而犯了军法，本来应该被斩首，但最后只是被赎为平民。这次大规模的两路进军，汉军共击杀和俘虏了八九万名匈奴人，但汉军方面也伤亡了数万人，丧失了十多万匹马匹。虽然取得了一些战功，但损失也很大，战功并不能完全弥补这些损失。
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