聂壹自匈奴返回之后，将情况告知了王恢，王恢在与马邑县令商议之后，斩杀了一位死囚，然后将其头割下，悬挂在马邑城下，对外谎称是马邑的县令，以迷惑军臣单于派出的暗探。

之后，聂壹又找到军臣单于的使者，对其说道，“马邑的高级官员都已经死了，务必请大单于尽快率兵南下。”

军臣单于接到消息之后，又与派出的暗探核对了一番，确认无误之后，这才决定率兵南下，统率十余万骑兵进入武州塞。

与此同时，汉朝大军在各路将领的统率下，也早已抵达了预定地点，其中护国将军韩安国、骁骑将军李广、轻车将军公孙贺统率主力军队，埋伏于马邑附近的山谷之中，而将屯将军王恢则和材官将军李息统率三万多人出代郡，准备待匈奴大军南下之后，从侧翼袭击匈奴大军的辎重部队并切断其退路，再与主力合围匈奴大军，力图一举消灭匈奴主力。

然而，当军臣单于率领大军来到距离马邑城百余里的地方时，发现沿途虽然多有牲畜，但却无人放牧，因而心中疑心大起，怀疑这是汉军事先撤离了马邑周边百姓，有意在诱使自己进入伏击圈，于是下令大军停止前进，并派出多路军队四面出击，查探汉军虚实。

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不久，一路匈奴军队攻占了汉军一座边防小亭，俘虏了一位雁门尉史。在匈奴人的威胁下，尉史遂将汉军的计划全盘托出，军臣单于听后大惊道，“差点被汉人所卖！”立即下令大军撤退，大军撤出边塞之后，军臣单于看着身边的雁门尉史，仍然心有余悸的说道，“我能得到尉史，真是天意啊，绝对是上天让你将实情告知于我”，甚至为此将尉史册封为了“天王”。

当时，王恢、李息率领的三万大军已经远出代郡，在得知匈奴退兵后，一时间也不知道发生了什么。王恢自负仅凭自己的三万军队，根本敌不过匈奴十余万大军，便也下令大军撤回。

韩安国、李广等人统率的汉军主力分别埋伏于马邑附近大山之中，准备待匈奴大军抵达后便一齐杀出，然而一连过了十几天，却始终不见动静。心知如此等下去不是办法，几位将领商议之后，不得不改变原先的作战方案，主动率军出击，然而此时匈奴早已撤的无影无踪了。

作为主战派的汉武帝，本想通过“马邑之围”来提振朝野士气，证明主战思想的正确，然而随着计划的破产，反倒让主战成了一个笑话，刘彻心中的恼怒可想而知。

于是，刘彻将满腔怒火全部发泄到了计划的主导者王恢身上，以临阵脱逃为由将其下狱，交由廷尉治罪。廷尉也知道事情重大，遂以畏敌观望的罪名判处王恢死刑。

王恢也知道“马邑之围”的失败必须有人负责，而且这个人绝对不能是皇帝，而只能是坚决主战的自己，因此对于问罪他别无怨言，但却不想因此送命。于是，他通过贿赂田蚡，使得王太后出面替自己求情，但在气头上的汉武帝哪里听得进去，王恢见生还无望，只得自杀谢罪。

“马邑之围”虽然以失败告终，但也使得西汉立国以来奉行的“和亲”政策就此告终，汉匈大战就此拉开序幕。