刘邦率轻骑先到达平城（今山西省大同市），此时汉朝大军还未完全赶到。冒顿单于在白登山设下埋伏。刘邦带领兵马一进入包围圈，冒顿单于马上指挥四十万匈奴大军，将刘邦的兵马围困在白登山，使汉军内无粮草、外无援兵，不能相救。刘邦发现被包围后，组织突围，经过几次激烈战斗，也没有突围出去。之后，冒顿率领骑兵从四面进行围攻：匈奴骑兵西面的是清一色白马，东面是清一色青马，北面是清一色黑马，南面是清一色红马，企图将汉军冲散。结果，双方损失很大，一直相持不下。匈奴围困了七天七夜，也没有占领白登。
汉军在被围了七天后，粮食也快吃完了，饥寒交迫，危在旦夕。陈平看到冒顿单于对新得的阏氏（单于的妻妾）十分宠爱，朝夕不离。这次在山下扎营，经常和阏氏一起骑马出出进进，浅笑低语，情深意笃。于是陈平向刘邦献计，想从阏氏身上打主意。刘邦采用陈平之计，派遣使臣，乘雾下山向阏氏献上了许多的金银珠宝。
于是阏氏就对冒顿单于说：“军中得到消息说，汉朝有几十万大军前来救援，只怕明天就会赶到了。”单于问：“有这样的事？”阏氏回答说：“汉、匈两主不应该互相逼迫得太厉害，现在汉朝皇帝被困在山上，汉人怎么肯就此罢休？自然会拼命相救的。就算你打败了他们，夺取了他们的城地，也可能会因水土不服，无法长住。万一灭不了汉帝，等救兵一到，内外夹攻，那样我们就不能共享安乐了。”冒顿单于问：“怎么办呢？”阏氏说：“汉帝被围了七天，军中没有什么慌乱，想必是有神灵在相助，虽有危险但最终会平安无事的。你又何必违背天意？”冒顿单于本来与韩王信的部下王黄和赵利约定了会师的日期，但他们的军队没有按时前来，冒顿单于怀疑他们同汉军有勾结，就采纳了阏氏的建议，打开包围圈的一角，让汉军撤出。当天正值天气出现大雾，汉军拉满弓安上箭，从已经解除包围的一角慢慢地走出，才得以脱险。