刘敬在匈奴营地细致观察多日，发现对方虽表面示弱，但营地布局严谨、哨卡密布，绝非“散乱无备”之状。他回来后紧急求见刘邦，直言：“两国交战，本该炫耀实力，匈奴却故意示短，此乃诱敌之计，万万不可进兵！”然而，此时刘邦早已被连胜冲昏头脑，加上三十二万汉军已陆续北上，箭在弦上不得不发。他怒斥刘敬“妄言惑众”，下令将其囚禁于广武（今山西代县），待凯旋后再行处置，随后亲率先头部队直奔平城（今山西大同市东），而大部队的步兵因行军迟缓，尚未全部抵达。
刘邦万万没想到，这一决定竟让自己陷入了灭顶之灾。当他的先头部队抵达平城附近时，冒顿单于突然亮出底牌——四十万精锐骑兵如从天而降，瞬间将刘邦及其部下围在了白登山（今山西大同市东北）。这座山海拔不高，四周皆是开阔地带，汉军被匈奴骑兵层层包围，水泄不通。匈奴骑兵按毛色分为五队，东、南、西、北各队分别骑着青、红、白、黑四色战马，旌旗蔽日、杀气腾腾，汉军数次突围都被击退，粮草渐渐告罄，与外界的联系也彻底中断。
接下来的七天七夜，成了刘邦一生中最屈辱、最绝望的时光。时值寒冬，天降大雪，汉军士兵冻饿交加，不少人手指都被冻掉，士气低落到了极点。刘邦被困在山顶，望着山下密密麻麻的匈奴骑兵，心中悔恨交加，却无计可施。就在这生死存亡之际，谋士陈平献上一计：利用匈奴阏氏（单于的妻子）贪财且善妒的特点，派人暗中联络，以重金贿赂。
陈平挑选了一名能言善辩的使者，带着一箱箱金银珠宝和一幅绝色美女的画像，偷偷潜入匈奴营地拜见阏氏。使者先将珍宝献上，见阏氏面露喜色，又故作担忧地说：“汉朝有如此美女，若单于久攻不下，陛下恐将献此女求和，到时您的地位恐怕……”阏氏本就忌惮其他女子分走单于的宠爱，又贪图眼前的珍宝，更担心战事拖延下去，匈奴虽能取胜，也必伤亡惨重，得不偿失。于是，她当晚便向冒顿进言：“汉匈两国君主不应互相逼迫。即便我们占领了汉朝土地，也不习惯定居耕种，何必赶尽杀绝？况且刘邦有天助，若逼得太紧，恐遭天谴。不如放他一条生路，让汉朝年年进贡，岂不更好？”
冒顿单于本就多疑，他原与韩王信的部将约定夹击汉军，却迟迟不见对方踪影，心中已生疑虑。加上阏氏反复劝说，他也觉得若杀了刘邦，汉军必拼死复仇，匈奴虽强，也难承受长期战争的消耗，最终同意网开一面。次日清晨，匈奴骑兵主动撤开一角，刘邦见状，不敢耽搁，立刻在陈平的护卫下，令士兵拉满弓、面朝外，小心翼翼地从缺口突围，直到与平城的主力部队会合，才终于脱险。
白登之围成为刘邦一生的转折点。这场惊魂未定的遭遇，让他深刻认识到汉朝初立，国力尚未恢复，根本无法与强大的匈奴抗衡。回到长安后，刘邦立刻释放了刘敬，向其道歉，并采纳了“和亲”建议——将宗室女子嫁给冒顿单于，每年赠送丝绸、粮食、美酒等财物，以换取边境的暂时安宁。这一政策虽带有屈辱色彩，却为西汉赢得了休养生息的时间。
而叛降匈奴的韩王信，为了向冒顿证明自己的价值，不断引匈奴骑兵南下袭扰汉朝边境，成为刘邦的心头大患。经此一役，刘邦对异姓诸侯王的猜忌达到了顶峰——连韩王信这样的“旧部”都能背叛，其他异姓王又岂能完全信任？于是，从白登之围后开始，刘邦逐步展开了剪除异姓王的行动，韩信、彭越、英布等昔日功臣先后被削爵、诛杀，西汉王朝的中央集权，就在这场场血雨腥风中，悄然得到了巩固。而汉匈之间的恩怨纠葛，也由此拉开了漫长的序幕。