韩王信担心刘邦事后找自己算账。（韩王信和大将军韩信不是同一个人）于是他索性就投降了匈奴，并引匈奴军入关，攻打汉军驻守的太原。匈奴大攻围马邑，韩王信降匈奴。匈奴得信，因引兵南逾句注，攻太原，至晋阳下。——《史记·匈奴列传》其后，由于汉军没料到韩王信会造反，准备不足。故而一时之间，太原沦陷。大半个山西被韩王信的叛军和匈奴军控制。
山西是关中的“东大门”，山西丢了，整个关中都别想安宁。所以消息传到长安后，刘邦立即就亲率大军征讨韩王信。刘邦直辖的军队，加上此前派去增援韩王信的军队（周勃、樊哙等），总计32万。汉军反攻后，先在铜鞮（山西沁县）与韩王信的军队展开激战。大破之。韩王信见打不过汉军，只好逃跑，找匈奴单于冒顿借兵。冒顿听说汉军威猛，就分别派左、右贤王各带一万多骑兵与韩王信的残兵一起南下，在太原一带布防，准备挫挫汉军锐气。
不过在太原城下，韩王信又败了。他搬来的匈奴兵也死伤惨重。以前至武泉，击胡骑，破之武泉北。转攻韩信军铜鞮，破之。还，降太原六城。击韩信胡骑晋阳下，破之，下晋阳。後击韩信军於硰石，破之，追北八十里——《史记·绛侯周勃世家》之后，汉军乘胜追击，先在离石（吕梁市离石区）追上韩王信与匈奴的联军残兵，揪着一通削。
接着又在太原北面的楼烦，以骑兵对战骑兵，再次击溃匈奴军。匈奴复聚兵楼烦西北，汉令车骑击破匈奴——《史记·韩信卢绾列传》自此，汉军是四战四捷。收复了大量失地。亲征之初，刘邦没跟匈奴人交过手，他心里没底，对匈奴人还有一丢丢敬畏。但经过四战四捷后，他感觉匈奴兵也不过尔尔，他就飘了。旁边的人劝他不要冒进，他不听也就算了。
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。
