居然还把人抓了，扬言得胜回来后再处决。再加上冒顿又耍心机，故意示弱，将其精锐士兵和肥壮牛马隐藏起来，只显露出老弱士兵和瘦弱的牲畜，设下埋伏，故意吸引汉军来攻。于是，刘邦错估了匈奴军队的战斗力，只带了五万人孤军北上。而孤军北上的结果，就是被四十万匈奴军团团包围在了大同的白登山上。高帝先至平城，步兵未尽到，冒顿纵精兵四十万骑围高帝於白登——《史记·匈奴列传》听说被围是刘邦本尊，冒顿很高兴。
这条大鱼可不能让他跑了。于是冒顿亲自指挥，向白登山连攻了几天几夜。可惜愿望是美好的，现实是残酷的。虽然匈奴军兵力八倍于刘邦，但由于装备不行。始终无法突破汉军防线。当时的匈奴人并未掌握金属铸造工艺，很多士兵的箭头还是骨制的，刺透力不强。相比之下，汉军兵力虽然少，但刘邦带去的五万人，相当于是禁卫军，装备极好。
如果是打运动战，汉军可能还吃点亏。但要是打阵地战，汉军就不吃亏了。反倒是匈奴军的劣势很明显。这就好比当年我军在朝鲜，打运动战，往往占优。但打攻坚战时，就因为装备问题，经常陷入被动局面。所以白登山上的几天大战下来，冒顿并没有占到便宜。别看他把刘邦团团围困着。可实际上，他当时还真拿刘邦没辙。其实，相比于匈奴军。
严寒天气对汉军的威胁更大。这才是刘邦最怕的。刘邦出征时，刚好是冬天。大同地区的冬天，零下15度很正常。零下25度都不稀奇。这么冷的气候，汉军驻扎于山上，又缺乏防寒保暖手段。被冻死冻伤者，必然不少。按照《史记》的说法，汉军被围期间，战士冻掉手指的人，有十分之二三。差不多就是一万多人。这比在战场上受伤的人还要多。
会冬大寒雨雪，卒之堕指者十二三。——《史记·匈奴列传》眼见天气还有继续降温的势头，再加上团团被围，与外界失去联系。连刘邦也不知道大部队什么时候能赶到。于是陈平就找到刘邦，献出了贿赂计。刘邦表示可以试试。接下来，就是我们熟悉的戏码了。陈平拿着金银财宝和一副美人画像找到匈奴阏氏。阏氏拿了好处，随即给陈平打包票，表示一定能说服冒顿。
然后第二天，匈奴骑兵就解围一角，放刘邦跑路了。关于冒顿为什么要放走刘邦，很多人往往认为是阏氏吹耳边风的缘故。然而真正的原因，其实《史记》里面已经说的很清楚了。冒顿与韩王信之将王黄、赵利期，而黄、利兵又不来，疑其与汉有谋，亦取阏氏之言，乃解围之一角。——《史记·匈奴列传》汉救兵亦到，胡骑遂解去。汉亦罢兵归。
——《史记·韩信卢绾列传》周勃率汉军主力杀到了平成外围，有反包围匈奴军的势头。再加上与冒顿有约定的王黄和赵利（韩王信的部将）两部没有赶来。冒顿怀疑他们是假降，暗中汉军有预谋，要坑自己。于是冒顿也就卖了阏氏面子，解除了包围圈的一角，放刘邦走了。冒顿是个“鸣镝弑父”。为了上位，舍得杀掉爱马、爱妻、生父的枭雄。
女人，他在乎吗？他怎么可能仅仅因为阏氏的几句话（今得汉地，而单于终非能居之也。且汉王亦有神）就放刘邦走？说冒顿被女人影响了，导致错失好局。这就是太小看冒顿了，侮辱他智商。所以，冒顿放走刘邦，单纯就是他吃不下刘邦而已。绝不是所谓的“明明可以杀了刘邦灭了汉朝，却因听信女人之言，错失了好局”。白登之围解除后，战争并未结束。
因为匈奴军并未撤出中原。刘邦也只是与大部队会合了而已，并没有脱离战场。三十万汉军仍然有被四十万匈奴军二次包围的可能性。所以刘邦一边指挥部队向东南方向撤，一边令夏侯婴阻击匈奴军。复以太仆从击胡骑句注北，大破之。以太仆击胡骑平城南，三陷陈，功为多。——《史记·樊郦滕灌列传》这一战，夏侯婴打赢了。汉军先在是勾注山以北跟匈奴打了一仗，大胜。
接着又在平城南边攻击匈奴，又多次攻破敌阵。最终完成了掩护刘邦撤退的任务。冒顿见捞不好什么好处，也就退兵了。这一战以平手结束。汉军主力撤回到长安后，虽说刘邦的战略目的达到了（消灭韩王信之叛军，斩断匈奴伸向山西的爪子，收复沦陷的山西），但刘邦事后却也是心有余悸。在白登山上，他亲眼见到了匈奴骑兵的军容之整齐。
其西方尽白马，东方尽青駹马，北方尽乌骊马，南方尽骍马——《史记·匈奴列传》白登山西方边的匈奴军，骑得全是白马。东边的，全是青马。北边的，全是黑马。南边的全是赤色马。而汉廷这边，天子出行，找不出一种颜色的四匹马。很多王公大臣，坐的还是牛车。自天子不能具醇驷，而将相或乘牛车。——《汉书·食货志上》匈奴人的马，富裕到可以按颜色编组。
