匈奴由于没有提前得到消息，没有任何准备，加之河南之地的匈奴军本就力量薄弱，仅五万余人，面对数倍于己的秦军，仓促之间无法组织起有效的抵抗，河南之地的匈奴军节节败退。
头曼单于得知消息后大为震惊，对左右说道：“从来都是只有我们匈奴欺负中原人的份，现在蒙恬小儿竟敢欺负到爷爷的头上！传我命令，大军立刻集合，三日后随我出击秦军！”
三天后，匈奴集合十万大军进攻榆林。
榆林位于匈奴阴山老巢与河南之地的交界地带，是秦军防守的重点区域。蒙恬知道一旦开战，此处必然会最先受到攻击，因此在修建长城之初就将此处列为重点地域，这里的长城不仅城墙高大厚实，而且派十万重兵把守。
匈奴骑兵来到榆林，高大的城墙阻挡住了去路，匈奴军一旦接近城墙，秦军便箭如雨下，匈奴骑兵无法前进半步。数万匈奴骑兵被阻挡于榆林一线无法求援。
秦军抓住时机对河南之地的匈奴军展开歼灭战。匈奴军此时东西两面被长城阻挡，南面有王离的精锐秦军追击，不得已一路往北撤退，一直退到榆林。此时榆林之地的秦军经受了南北两个方向匈奴军的进攻，战况异常惨烈。
蒙恬派冯毋择把守榆林，命令他一定要驻守高地，严禁士卒私自出战。冯毋择依靠高大的城墙抵御匈奴骑兵，头曼单于缺少攻城器械，又受阻于长城围墙，无法实施远程奔袭突破，苦战一个月，秦军仍然牢牢的控制着榆林之地。
到本年初冬，秦军已经将河南地区的匈奴部落全部扫荡肃清，小部分匈奴残部向西北方向渡河而逃。头曼单于无可奈何，只得引军退去。
蒙恬与王离两军汇合后，驻扎于黄河南岸，以待来年春季的战斗。
蒙恬知道，顺利攻取河南之地完全是因为计划周详，出击迅猛，加之匈奴主力不在河南之地。匈奴单于必不会甘心放弃河南之地，一定还会再度来犯，于是蒙恬决定先发制人，北出长城，攻击匈奴。
始皇帝三十三年初春，蒙恬将原来防守河南之地的秦军调到黄河一线防备匈奴，亲自率秦军主力二十万由九原渡过黄河，攻击高阙与陶山。
其后不久，副将王离率十万秦军西渡黄河进入贺兰山脉，直捣匈奴老巢。王离率领的这支秦军作为偏师，仅在夜间行军，隐蔽性非常好，希望能够达到出其不意的效果。
且说头曼单于退回阴山之后，异常恼怒，认为秦军不过是仰仗长城才取得胜利，如果野战并非是他的对手。于是下令重新集结十五万军队来年进攻蒙恬，报仇雪耻！
头曼单于的太子冒顿得知此事后，觐见道：“父王请暂且息怒，秦军现在统一了中原，先后灭掉六国，我听说蒙恬又善于带兵，秦军兵锋正盛，现在直接对抗，恐怕难以抵挡！不如暂时退却，待秦军骄纵之时，我们再以骑兵出其不意，必大破之！”
头曼单于哈哈一笑，道：“我儿为何如此胆小？我匈奴人是天之骄子，自幼在马背上长大，怕过谁？”于是并不听从冒顿的劝告。
来年春天匈奴头曼单于集结起十五万兵力，准备南下攻秦。恰在此时，匈奴探马来报，称道秦军来犯！头曼单于大惊。问道：“确定是秦军吗？有多少人马？”
“肯定是秦军，但并不清楚有多少人马？看阵势至少有十万之众！”
头曼单于是否生气，怒道：“再探！此次一定要查清楚有多少秦军，看不清楚就不要再回来见我！”
探子赶紧拜谢，起身飞奔出大帐，上马疾驰而去。
头曼单于没有料到秦军竟敢主动出击到塞北！非常震惊。此前，秦军也曾出击塞北，但是每次匈奴军都会长途奔袭，绕到秦军背后，断其粮道，秦军数次都是无功而返。几次之后，秦军便不曾再出击塞北，不料这次蒙恬竟敢故技重演！
头曼单于心中窃喜，心道秦军躲在城墙之中，我无可奈何，如今你竟然自己跑出来，就不要怪我不客气了！于是亲自率领集结起来的匈奴骑兵，出阴山，准备与秦军誓死一战！
蒙恬带领秦军出九原之后，进逼迅速，一路往西北进攻，在高阙、阳山、北假等地与匈奴准备南下的主力相遇。匈奴军见到秦军后，很快就进行疯狂的进攻，蒙恬在正面布置重装步兵，其后为弓弩手，骑兵置于两翼。
匈奴军冲锋时，其弓箭射程三百步，而秦军的强弩经过改装，射程可达到四百步，因此匈奴军往往还未接触秦军就死伤惨重。
秦军五战五捷，很快杀入阴山和贺兰山高地。头曼单于意识到秦军装备先进，人数又占优势，与之正面对抗，自己丝毫占不到便宜。于是派太子冒顿率领三万人马，企图绕过秦军正面，攻击其后方的补给线，如果粮道被切断，则秦军不战自溃。
冒顿领命之后，派出大量探马，不久冒顿就发现，蒙恬此次率领的秦军是沿着长城一线自东南向西北进攻的，步步为营，其补给线非常之短，不管秦军大军走到哪里，都可以从长城一线得到快速的给养补充，因此才能时刻保持强盛的战斗力。
但冒顿即已领命，不得不率部进攻长城沿线的秦军，以求突破其防线，切断秦军粮草。
然而匈奴军刚一出击，就遭到了驻守在那里的秦军的迎头痛击。原来蒙恬早就料到匈奴肯定会故伎重演，侵犯秦军粮道，因此特别在长城沿线布置了大量军队，依靠长城阻击匈奴骑兵。
冒顿几次进攻之后，见无法突破，不得不率部转移到阴山之地。
恰在此时，王离率领的十万秦军也已经到达阴山，正准备从后方对匈奴发起突然袭击，配合正面进攻的蒙恬军，彻底消灭匈奴主力。
冒顿探马无意之中发现了王离率领的秦军，迅速回报冒顿，冒顿大惊，连忙派人去禀报头曼单于，而自己率领三万余众，展开阵势阻击王离军。冒顿清楚凭借自己手中的三万人马，是无法与秦军正面冲突的，此时他只能设计稳住局势，等待大军到来。于是他命令军中展开所有旗帜帐篷，摆出匈奴军主力的架势，恐吓秦军。
王离此时也发现了冒顿的匈奴军，但是他不清楚是否面对的是匈奴主力，由于自己手中多是步兵，虽然有十万之众，但也不敢贸然出击，遂下令摆开阵势，开始与冒顿军对峙。
头曼单于得到秦军已经进入阴山的消息，大惊失色。此时，匈奴军前后都有大股秦军，南面又有长城阻隔，无法突破，头曼单于分析形势后下令全线往北撤退。
冒顿接到命令后，命匈奴军连夜逃往漠北，驻地所有的旗帜帐篷一概不准动，仅留下几个老弱之兵每到饭点就生起烟火，迷惑秦军。
数日之后，王离派小股秦军试探，才发现匈奴大军早已逃走。遂带军与蒙恬军合兵与阴山之下。
秦军连战连捷，给予了匈奴巨大的打击。头曼单于被迫退出了阴山和贺兰山高地，北撤七百余里，退到阴山以北的漠南一带游牧。