汉匈间硝烟再起 李广利丧师降敌
从汉武帝天汉元年（公元前 100 年）到征和四年（公元前 89 年），进入第四阶段，就是汉匈“再战期”。不过这一次可没有那么如意，汉武帝想在贰师将军李广利身上复制卫青、霍去病的成功模式，然而，希望彻底落空了，国家进而被拖入泥潭中。
在这一阶段中，汉朝明显占据了战略上的优势，形成“汉强匈弱”的局面。然而，这并不代表匈奴没有战斗力。整体的强势不能代替局部的强势，战略的强势不能代替战术的强势。匈奴经过这些年的休养生息，实力也在恢复，只是无法恢复到冒顿、军臣、伊稚斜等单于当政时的高峰状态了。
天汉元年，匈奴扣留了苏武。天汉二年（公元前 99 年）五月，汉武帝派贰师将军李广利带三万骑出酒泉，在天山攻击匈奴右贤王。一开始汉军获得首虏一万余级，然而在回师路上，汉军遭遇匈奴大军的围困，汉军乏食，多亏赵充国带领百余壮士突围陷阵，李广利残部才得以撤出。但是这一战汉军损失十之六七，损失的兵力在两万骑左右，属于先胜后败，赵充国负伤二十多处。汉武帝听说后，亲自接见赵充国，并检视其伤口，感叹不已，拜赵充国为中郎。李广利兵败，未受惩处。
此后，汉武帝又派公孙敖和路博德出兵，两路无功而返。
两次出兵之后，汉武帝又派李陵带领步兵深入匈奴境内，结果李陵投降匈奴，引发了历史上著名的公案。李陵是李广的孙子，有李广之风，善于带兵，谦恭下士，能够得到士兵的死力。在李广利带领三万骑兵攻击匈奴右贤王部时，汉武帝准备让李陵给李广利军团运送辎重，但李陵不想搞后勤，准备到前线冲锋陷阵。汉武帝说，这次出兵比较多，可没有骑兵派给你。李陵说，愿意率领步兵五千至单于王庭。汉武帝甚为嘉许，就同意了，并派路博德领兵半道接应李陵部。然而，路博德是资深的将领，耻为年轻将领李陵的后援，于是上书说，秋天出兵，匈奴正是兵强马壮之时，不如等来年春天再出兵云云。汉武帝一看就怒了，他还以为是李陵反悔了，找路博德当枪使，实际上是路博德有不可明言之处，但他说来年春天出兵更佳，也并不全错，这件事可以从多角度来看。但是，汉武帝强令李陵于当年九月出兵。
李陵奉命北行三十余日，深入匈奴境内一千余里，遇到匈奴三万骑兵集团的包围，李陵以五千步兵来对阵，在兵力对比悬殊的情况下，李陵靠着武器先进、指挥得法和将士用命，竟然给匈奴以重创，击杀数千人。于是，单于派左、右贤王八万余骑进攻。李陵不得已，且战且退，虽然损失惨重，但是李陵军战斗力依然很强。他发布命令，三次受伤者坐车，两次受伤者赶车，一次受伤者要坚持战斗。最后五十万箭矢使尽了，就用车辐、短刀与敌人战斗，再次斩首三千余级。单于一看久攻不下，李陵部且战且走，怕有埋伏，就想退兵，可下属说，如果单于亲自统领几万骑兵却消灭不了几千步兵，就会让汉朝更加轻视匈奴。于是，匈奴继续进攻。李陵部依然顽抗，杀伤匈奴二千余人。就在单于再次准备撤退时，李陵军队中有一个叫管敢的军官因为受到校尉的侮辱，投降了匈奴，并把底细告诉了单于。单于大喜，又开始围困李陵军。不得已，李陵命令部下分散突围，最后突围成功的有四百多人，而李陵投降了匈奴。据专家考证，李陵投降之地离遮虏障只有一百八十余里。后来，李陵的投降对不对、可不可以理解，一直成为争论不休的问题。
李陵投降匈奴之后一年多，公孙敖出兵无功而返，但他说，他之所以没有收获，是因为他抓的俘虏告知，是李陵教单于如何防备汉军云云。汉武帝一怒之下，命人杀了李陵家族，从而彻底断了李陵归汉的路。后来弄清楚了，此人不是李陵，而是一个叫李绪的人。汉武帝后来也反思李陵事件，想到了路博德等人的心思。《汉书·李陵传》中记载，汉武帝说“老将生奸诈”，就应该指此。可是，一切都晚了，李陵事件注定成为一个争论不休的历史公案，只看从什么角度来评析，所得到的结论自然不同。
天汉四年（公元前97年），汉武帝再次组织大规模的军事行动。李广利带六万骑兵、七万步兵出朔方，路博德带一万余人与李广利汇合，韩说（在名字中，“说”一般读为“yuè”）领步兵三万人出五原，公孙敖带一万骑兵、三万步兵出朔方，骑兵、步兵总计约二十一万，想要与匈奴决战。匈奴单于提前得到信息，把累重（资产、妻子）迁移到余吾水（今蒙古土拉河）北，然后领兵十万余人与李广利兵团接战，双方大战十余日。公孙敖部战不利，韩说部无所得，李广利部的战果未知，恐怕未必如意。这次出兵，总体就是虎头蛇尾，再也没有卫青、霍去病带兵时的战果了。
征和三年（公元前90年），汉武帝最后一次大规模用兵。李广利带领七万人出五原，商丘成领二万人出西河，马通领四万骑兵出酒泉千余里。商丘成部的战斗力比较强，与匈奴战九日，杀伤匈奴兵甚众。匈奴畏惧马通部强大，未敢接战，自行退走，因此马通部无所失也无所得。出问题最大的就是李广利部。一开始，李广利获得小胜，追至范夫人城（古城名，在今蒙古达兰托达加德城东北），匈奴不敢拒敌。然而此时出了一个大问题。长安城内，“巫蛊（ɡǔ）之祸”牵扯面越来越大，李广利与丞相刘屈氂（máo）互相勾结，阴谋拥立李广利之妹李夫人生的昌邑王刘髆为太子的事情被发觉，刘屈氂被处死，李广利妻子入狱。这个消息传到了前线，李广利忧惧不已，他“由是狐疑，欲深入要（邀）功”。于是，他派两万骑兵渡过郅居水（古水名，今蒙古、俄罗斯境内色楞格河，源出蒙古杭爱山脉北坡，注入俄罗斯贝加尔湖），与匈奴左贤王下属左大将的两万骑兵战斗一日，汉军杀左大将，匈奴死伤甚众。
就在此时，汉军内部出现了问题。李广利的两个下属认为：“李将军怀有二心，他为了个人邀功，让大家处于危险之中，恐怕会失败。”他们想要抓住李广利，结果首谋的长史被李广利杀了。李广利引兵还至燕然山，单于知道汉军已经很疲劳了，于是又派出五万大军掩杀而至，双方死伤都非常惨重，最后汉军大败，李广利部七万人全军覆没，李广利也投降了匈奴。单于知道他是汉朝的大将贵臣，就把女儿嫁给了他，对他的尊崇在卫律之上，这就引起了卫律的嫉妒。一年多以后，单于的母亲病了，卫律命令巫者说已故单于发怒了，说：“我们过去祭祀的时候，经常说抓住贰师将军李广利之后，要把他杀了祭祀宗庙，现在抓住了，为什么不用他祭祀宗庙？”巫者的话在匈奴拥有极大的权威，于是，单于抓捕了李广利。李广利骂道：“我死必灭匈奴。”事有凑巧，他死之后，匈奴境内接连下了几个月大雪，牲畜冻死，人得瘟疫，庄稼不收。单于怕了，便为贰师将军李广利建立了祭祀的庙祠。
李广利投降匈奴之后，单于气焰嚣张，第二年致书汉朝，称“南有大汉，北有强胡”，胡人也是天之骄子。他说，如果汉朝开关市通商，每年送给匈奴一万石酒、五千斛（hú）粮食、各种布绢一万匹，其他方面像以前约定的那样，匈奴就不骚扰汉朝边境。最终汉武帝没有答应这一要求。其实，匈奴也是虚声恫吓（dònɡ hè）。在汉朝的持续打击之下，怀孕的妇女因为奔波而流产，家庭破败，匈奴从单于往下，都希望和亲，别打了。汉朝因为“巫蛊之祸”、农民起义、持续用兵等原因，国家也濒临崩溃的边缘。后来汉武帝发布《轮台诏》，主流观点认为这是“轮台罪己诏”，也有人说班固、司马光夸大其词，目的是塑造一个悔过的汉武帝。从诏令的内容来看，晚年的汉武帝内心确实无限凄凉，他应该做出了种种反思，只是出于一个皇帝的尊严，他的悔过是非常有节制的。关于这个问题，我们不做过多的讨论，详情请看《汉书·西域传》。
以上基本就是汉匈之战的主体内容，是最能体现汉朝“武功”的部分，而汉武帝作为主要的策划者、组织者、实施者，体现了无与伦比的战略规划能力，也有让历史深感遗憾的败笔。