單桓、酋塗兩部隸屬於渾邪部，幾萬牧人又分成了好幾十個部落，每個部落都有自己的小王，逐級聽命於高一級的部落王。
霍去病的大軍沿著沙漠邊緣行進，一旦遇到匈奴牧人，統統射殺，避免了行軍路線的暴露，這支漢軍的戰馬也是經過精挑細選的，經得起長時間急行軍，第二天黃昏，大軍便達到居延澤附近。
斥候來報：“將軍，前方二十裏有匈奴人的部落，帳篷數千頂，足有萬人。”
霍去病眼前一亮：“好啊！趙破奴帶五千人從左路迂回，高不識帶五千人從右路迂回，兩路人馬在敵人的北方匯合，截住敵人退路，我自領一萬人衝殺，務必全殲敵人。”
二將領兵衝了出去。霍去病率軍緩緩前行十裏，估摸著二將已經到位，才大旗一揮，號令全軍衝鋒。
這是單桓部營地，同時也是單桓王駐地所在，匈奴人依照地位高低，將單桓王的帳幕圍在正中心，酒足飯飽後的單桓王早已鑽入被窩，專心對付數名年輕美貌的侍妾，根本不知道匈奴人的克星已經從天而降。
漢軍幾乎如屠殺一般。大部分匈奴人還沒拿起身邊的武器，便被環首刀砍中，甚至來不及發出一聲慘叫便身首異處，漢軍像包餃子一樣團團圍住單桓部，屠殺進行了將近半個時辰，單桓王才**出帳查看情況，此時，匈奴人紛紛逃出帳篷，亂成一窩蜂，像無頭蒼蠅一樣四處逃竄。
這倒是方便了漢軍，漢軍遠處用弓弩，近處用環首刀，將一撥又一撥匈奴人殲滅，隨著漢軍的包圍圈越來越小，能站立的匈奴也所剩無幾。
單桓王徹底絕望了，他拔出佩刀，打算保留一絲王者的尊嚴，可是當冰冷的刀鋒觸及脖頸的時候，死亡的恐懼戰勝了王者的尊嚴，單桓王頹然坐倒在地，號啕大哭起來。
此戰，漢軍全殲單桓部萬餘人，俘虜單桓王。