经侦查，娄敬断定匈奴故意隐藏精锐之师，而以老若残兵充斥阵营，其中必有诈。娄敬迅速南返，半途却发现帝国军队已经侵巢而出。

刘邦下令兵分两路，主力部队由周勃，樊哙率领，进击硰石以北，寻歼匈奴主力和韩王信残部。自己统领夏侯婴儿，灌婴的部队，即刻北进，直扑匈奴大本营代谷。

刘邦听闻娄敬只是猜测有诈，而没亲眼所见匈奴骑兵，故没能接纳其言，娄敬因固执己见，被高祖一怒下投入广武监狱。部队很快到达平城（今山西大同），在平城附近有一座山，名白登山，这座山即将因在此发生的战役而永载史册！

十月的北方，天寒地冻，刘邦手抚白登山的城墙，这几处城墙由战国时赵国所建。突然间，白登山周围，不知何处冒出千万匹战马，马背上都是身着胡装的匈奴骑兵。瞬间，白登山被围成铁桶一般。

汉军陷入重围七天七夜，匈奴人却始终无法突破汉军防线。
汉军得以坚守，还得益于武器装备的先进。汉军劲弩，性能远超匈奴弓箭，射程远，威力大。匈奴人甲胄多采用兽皮，简单粗制，且匈奴盾牌多采用木制，防御效果很差。

刘邦想派勇士与主力部队取得联系，但白登山被围的水泄不通。此时，智囊陈平，闯进了高帝营帐。向其出了一条“密计”。来使对閼氏（匈奴皇后）送以厚礼，并故意说到“汉天子愿意罢兵与单于修好，届时汉天子愿意将最美的女人献与单于。”閼氏作为女人的嫉妒心作怪，怕单于以后见异思迁，于是答应汉使，向单于请求罢兵。

第二天，冒顿的军队在西南方向留了一个缺口，匈奴果然准备撤并兵。汉军立即从这个缺口后退。陈平下令两边的军队拉起劲弩，箭头向外，警戒匈奴军队可能发起的进攻。当跳出匈奴人的包围圈后，刘邦长长地舒了一口气，如释重负。
冒顿怎么会网开一面呢？这留下了一个千古之谜。

古代历史学家多把功劳归于陈平的“奇谋”，陈平一生有所谓六大奇谋，“解白登山之围”就是奇谋之一，然根本经不起推敲。

《资治通鉴》语“高帝逃离白登至平城，汉大军亦到，胡骑遂解去。”此话说刘邦从白登山突围后，汉军主力兵团（周勃军团）也已经到达平城。

《汉书 周勃传》记“周勃后击韩信军于硰石，破之，追北八十里。还攻楼烦三城，因击胡骑平城下。”

真相昭然若揭，匈奴撤退的原因是因为已经得知汉军大部队抵达平城，而白登山离平城并不远。匈奴对着白登山猛攻七天七夜，仍无法突破防线。而且匈奴已经动用了倾国之兵，再无战略预备队可用。一旦被强大的汉军主力反包围，匈奴将赌上民族和国家的命运。

有些历史书籍写到白登之围，错误的认为汉军的三十二万大军被四十万匈奴骑兵包围，这是个误解。

冒顿以退为进，在知道自己不是汉军主力对手的时候，故意打开缺口，使被困了七天之久的大汉天子惊慌逃跑，冒顿取得了一次心里战的决定性胜利。

虽然汉军在战场上的表现不逊色匈奴军队，但刘邦最终落荒而逃。
因为落荒而逃，所以成为失败者。
白登山之围，成为大汉帝国长期挥之不去的心病，直到数十年后，卫青与霍去病在对匈奴的反击战中取得空前胜利，汉帝国才终于恢复就自开国以来的军事大国的心理优势。