李息此舉也是不得以而為之，他們現在孤軍深入，不知道主力有沒有進入大漠，匈奴人緊跟其後，數倍於幾，繞道返回已不太可能。他們只有兩種選擇，一是死戰，二是投降。
大漢與匈奴的作戰中投降之人並不少，匈奴軍中有不少漢人，漢軍中也有許多胡人，當初趙信所部就因為多數都是匈奴人，所以在被包圍的情況下選擇了投降。可李息的兩萬人馬不是這樣，他們是北軍，尤其是李息的羽林騎，出生建章營，都是朝中功臣良將之後，是劉徹嫡系中的嫡系，讓他們投降不如直接殺了他們算了。
現在，他們只得全力一戰，就是死也要給匈奴人以重創。
實際上，李息只知道匈奴人離他只有一天的路程，卻不知道劉據率領的漢軍主力離匈奴人也只差一天的路程，而且烏維已經為這前後兩支漢軍傷透了腦筋。而且烏維犯了一個致命的錯誤，他以為李息深入大漠是漢軍的策略，事先的安排，完全沒想到是李息一個人自作主張，而且兩支漢軍已經失去了聯繫。
烏維在痛苦的思考了半天之後，決定還是先消滅李息的部隊，然後再視情況而定，是走還是留。而同時，李息也決定與匈奴人決一死戰，即使全軍覆沒也在所不惜。
第二天，就在烏維全力追趕李息時，一個令他困惑的消息傳來——李息軍背靠余吾水河擺出了決戰的架勢。烏維再次陷入迷茫之中，在思考了半天之後，他認為這是漢軍的圈套，漢軍一定是想利用前軍拖住自己，在雙方陷入苦戰時再發出致命的一擊，於是烏維決定，繞過余吾水河，待兩支漢軍會合後再進行正面的決戰。烏維決定再拚上一拚，只要消滅了漢軍騎兵主力，別說漠南，就是長城也會任自己馳騁。
於是，戰場再一次出現奇怪的一幕，匈奴人繞過背水一戰的李息部，用了一天時間從下游渡過余吾水河，隔河擺出了決戰的陣勢。而李息卻被匈奴人此舉弄得目瞪口呆，也擔心這是匈奴人的詭計，不敢輕舉妄動，直到看到劉據的主力才明白匈奴人為什麼會有這麼奇怪的舉動。於是，兩支漢軍合兵一處，在休息了一晚後也做好了決戰準備，雙方都在等待黎明的到來。
當太陽再次升起的時候，漢軍和匈奴軍隔著余吾水河擺開了陣勢，匈奴在北，漢軍在南。匈奴一方有十四萬騎兵，其中匈奴騎兵九萬多人，其它部落四萬多人；漢軍一方也有超過十二萬騎兵，其中北軍的七個營的騎兵約九萬，北疆的邊軍騎兵三萬多人。應該說，這是一場勢均力敵的戰鬥。
和草原上大多數河流一樣，余扶水河並不寬也不深，就算現在是漲水季節，也可以讓騎兵涉水過河，雙方配備的強弓硬弩可以輕易地把箭射到對岸。由於北岸臨近姑衍山，地勢雖平，卻要比南岸高出許多，這也是烏維要繞過余吾水河的一個重要原因。烏維將左右賢王的沿河岸排開，左賢王烏師廬的部隊在東，右賢王句黎湖的部隊在西，其它各部落的部隊則佈置在第二線，他自己最精銳的直屬騎兵在最後押陣。烏維這樣安排是想在漢軍渡河時給漢軍以重創，等漢軍上岸後，再讓二線部隊拚個你死我活，到時候，休整之後的匈奴主力將給漢軍以最後的衝擊。
當劉據等人進抵南岸，選擇了一處高地視察地形。各營主將看了看地形，都皺了皺眉頭，覺得這仗不好打，但沒有一個人說出口，他們都不想失去這一難得的機會。
霍光比較謹慎，他輕聲提醒劉據：「殿下，這裡的地勢不利於我軍騎兵的發揮啊。」
劉據在前一天晚上已經和張全商量過了，他決心不惜代價給敵人以重創，因為他知道，國家財力有限，如果這仗打不贏或不打，國家每年還要投入大量的人力物力以對抗匈奴，那麼，至少在五年之內，甚至是十年之內，都不太可能再有這樣進軍的機會。
劉據指了指對岸，對霍光說：「對岸不過百里就是姑衍山，當年你哥哥在那祭過地，再過去一點就是狼居胥山，你哥哥在那祭過天。」說到這裡，他又大聲地對手下眾將喊道：「過了今天，我們也要象冠軍侯那樣，去匈奴的王庭祭天、祭地！要用匈奴人的鮮血祭奠一百多年來戰死在大漠的英雄們！所以，我們今天一定要打贏這一仗！」
「必勝！」「必勝！」「必勝！」劉據身邊的將領和親兵們都振臂高呼，很快，周圍的漢軍也跟著喊起來，而且越來越多。霍光也被劉據的話所激勵，他現在也知道太子的決心，他沒想到，自己一向認為柔弱的太子竟然說出這樣的話來，一種豪情在他的心中蕩起。
漢軍很快也在南岸展開。北軍的胡騎、長水兩營和邊軍的三營在一線，羽林、越騎、虎賁三營在二線，屯騎和期門壓陣。劉據聽從張全的建議，將北軍各營準備的床弩集中使用。床弩介於重型裝備和輕裝備之前，北軍各營都裝備有床弩，一般騎兵營只有數十張，步兵營略多，射聲、中壘兩營最多，有上千張。現在因為是遠距離奔襲，各營沒有攜帶重型裝備，床弩數量也有限，特別是羽林、越騎兩營都沒有攜帶床弩。即使這樣，劉據還是集中了三百張床弩集中使用，以掩護部隊涉水搶渡。
烏維站在高處注視著對岸，余吾水河的兩邊都是騎兵，在不大的範圍內，集中了雙方二十幾萬大軍，因為雙方都是騎軍，所以都離河邊有上千步的距離，以便發揮戰馬的優勢，用速度衝亂對方的陣形。烏維心中也很激動，這是他第一次指揮這麼多人進行決戰，他現在非常渴望獲得這場戰役的勝利，不僅是為了自己能夠名垂青史，更是為了讓匈奴人能夠回到這片美麗的草原。
漢軍開始動了，先是掌旗兵高舉大漢軍旗在整個隊伍的最前邊跑了一個來回，高喊著口號以激勵所有的將士，接著，傳令兵也舉著令旗在陣前穿梭，把一道道命令帶給不同的將領。一些接到命令的將領開始調動部隊，漢軍的進攻開始了。