公元前200年，刘邦亲征韩王信，周勃、樊哙、夏侯婴、灌婴、靳歙等，皆随驾进征，骑兵、车兵、步兵共三十二万人。一路浩浩荡荡，向北而进，目标是韩王信和匈奴人。
出兵之前，刘邦还特意拜阳夏侯陈豨为赵国相国，统赵国、代国兵马。陈豨乃楚王韩信帐下大将，能征善战。刘邦不敢让韩信掌兵权，却让陈豨掌赵代之兵，也是权宜之计。
刘邦军从太行陉登上太行山脉，进入上党郡。韩王信本在长子，闻汉军来袭，立即撤兵，留王喜率军三千断后。刘邦挥兵猛击，在铜鞮击败韩王信的后军，击杀其部将王喜。
刘邦北上晋阳，韩王信与匈奴娄烦王、白羊王出城阻击，汉军获胜，折损两千余人。韩王信等人西逃入吕梁山脉，驻扎在离石。
刘邦坐镇晋阳，欲长驱北进，又恐不敌匈奴，于是做了两件事。第一是先后派十余批使臣找冒顿单于谈判，说是谈判，其实更多是刺探敌情。看单于在哪，军队战力如何。第二是令周勃率十二万步兵追击逃往离石方向的韩王信，准备等周勃得手后，再一起北上和单于决战。
周勃在离石再胜一场，韩王信再次北走，屯驻娄烦等三座城邑。周勃的军队都是步兵，徐徐北上。
此时十余批使臣陆续回来，都说匈奴实力不强，可以放手攻击。谁知冒顿单于故意将精锐部队隐藏，将老弱病残列于营中。
现在周勃已经北上，若刘邦北上，正好齐头并进。于是刘邦与夏侯婴、灌婴等人，率骑兵、车兵、步兵北上。
冒顿单于派遣左右贤王带领一万多骑兵，和韩王信的大将王黄驻扎在太原郡广武以南。汉军强势出击，再次获胜，仅折损数百人，对方越过句注山逃入雁门郡。
刘邦率十七万大军过句注山， 在马邑城下，刘邦再胜左右贤王一场，收复韩王信的第二个都城马邑。
晋阳和马邑先后得手，汉军士气高涨。刘邦挟大胜之余威，继续北上。 平城（今山西大同），刘邦与众将大宴，他得意洋洋唱起这首原创的《鸿鹄歌》： “鸿鹄高飞，一举千里。羽翮已就，横绝四海。”
刘邦亲率骑兵为先锋，出平城东北约七里，来到白登山（今山西大同东北马铺山）。
“呜……呜……”悠长的牛角号声蓦然响起，凄厉而苍凉的长鸣霎时打碎了清晨的安谧。
刘邦站在战车上，望着四周铺天盖地一般飞奔而来的铁骑，望着冲天而起的烟尘，听着惊雷一般的喊杀声，眼睛里露出了一丝恐惧，脸上的肌肉不由自主地抽搐了几下。
长箭如蝗，战马如飞，数不清的长矛和战刀在空中飞舞，厮杀声和金铁交鸣声伴随着惊天动地的战鼓声和号角声响彻了原野。
战了片刻汉军逐渐不敌，刘邦见前面有山一座，高百余尺，方十余里。遂命将人马尽行上山，周围筑起壁垒固守。此山名为白登山，不过是一块高地，形若丘陵，故又名白登台。冒顿单于见汉兵上山，便指挥兵马，将白登山团团围住，刘邦的骑兵困于白登山上。
原来冒顿令部下佯装战败，引诱汉军深入北方，又故意将老弱士卒让汉使观看，以骄其心。冒顿单于就在平城左右山谷中，埋伏精兵四十万，此乃反客为主以逸待劳之策。
刘邦被围，几次亲自击鼓，将士奋勇冲下山来，却都被匈奴杀回。刘邦登高一望，只见四方八面，都是匈奴兵马，围得水泄不通。匈奴每方马皆一色，西方尽是白马，东方尽是青马，北方尽是黑马，南方尽是赤马，军容甚觉好看。原来冒顿单于早有定计，就等着刘邦登高一望，韩信有四面楚歌，单于有四色胡马。
汉军困在山上，随带干粮耗尽，只得采草根充饥，溶雪水解渴。夜间搭起营帐，砍取树木枝叶煨火取暖。此时正是十一月时候，北方异常寒冷，真是风利如刀，雪大如掌。汉军士卒被冻，手指坠落者，十人之中竟有二三，其余冻得肢体僵硬皮开肉裂者，更是不计其数。
“呜……呜……”白登山的南面突然响起了长长的号角声，号声苍凉而悲凄。
刘邦喜极而泣，泪水不争气地流了下来，他激动地挥舞着双臂，纵声狂叫：“绛侯来了，援兵来了……”
汉军欢呼雷动，士气大振。灌婴难以置信地望着战场南面，喃喃自语道：“周勃来得这么早？难道他能未卜先知？”
周勃军与左贤王军激战一个时辰，但双方好像各有目的，谁都没有使上全力。左贤王直属兵力只有不到两万，鲜卑和乌桓却有四万多人，但这两帮人是草原上最难驾驭的，他们从一开始就保存实力，损失极小。周勃则是等待中军进入战斗位置，现在总兵力不如对手，不能贸然猛攻。
直到乌孙人和周勃中军来援，战场的气氛才陡然紧张起来。乌孙人一直寄居匈奴，希望用战功来增加实力，取得单于信任，帮助他们收复河西走廊。乌孙铁骑开始了凌厉攻击，周勃的中军也摆开攻击方阵。
匈奴人和乌孙人用一队队的铁骑撞击，用兽骨狼牙棒疯狂击杀。汉军步兵方阵用木盾阻击，用长戈还击。
又打了一个时辰，匈奴与乌孙死伤惨重，左贤王怒对传令兵道：“让鲜卑人和乌桓人冲的猛一点。”
图-大同古城
周勃气定神闲望着战场，敌人中的鲜卑和乌桓不肯出全力，等后军到来肯定稳操胜算。白登山方向也一直没有匈奴援军，说明天子完全能撑住。
此时传来消息，代国（代郡）新上任的相国陈豨率军攻击雁门郡北部。镇守雁门北的曼丘臣告急，派人来求援军。