这一次，霍去病率精骑数万出北地郡，绕道河西走廊之北，迂回纵深达1000多公里，远出敌后，由西北向东南出击，以秋风扫落叶之势，大破匈奴各部，在祁连山与合黎山之间的黑河（今弱水上游）流域与河西匈奴主力展开决战，杀敌3万余人，取得决定性胜利。是役，霍去病共俘获匈奴名王5人及王母、王子、相国、将军等百余人，收降匈奴浑邪王部众4万，全部占领河西走廊地区。汉廷在那里设置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，移民实边戍守生产。

河西之战

河西之战，给河西地区的匈奴军以歼灭性打击，使汉朝统治延伸到这一地区，打通了汉通西域的道路，实现了“断匈奴右臂”的战略目标，为进一步大规模反击匈奴提供了可能。

漠北之战。经过漠南、河西两大战役的打击，匈奴势力遭到了重创，汉军已完全占有了这场旷日持久反击战争的主动权。然而匈奴不甘心失败，仍继续从事南下袭扰的活动。并采纳汉降将赵信的建议，准备引诱汉军主力至沙漠以北地区，寻机加以歼灭。

汉武帝为了彻底歼灭匈奴主力，从根本上解决这一边患问题，针对匈奴认为汉军不能度幕（沙漠）轻留（轻入久留）的心理，将计就计，在经过充分准备后，决定对匈奴采取更大规模的军事行动。并且因势利导，乘敌不备，确定了集中兵力、深入漠北、寻歼匈奴主力的具体作战方针。武帝集中了精锐骑兵10万人，组成两个大的战略集团，分别由大将军卫青、骠骑将军霍去病统率。另以步兵几十万，马匹十余万配合骑兵主力的行动。卫青、霍去病受命后，各率精骑5万分别出定襄和代郡，沿东西两路北进，决心在漠北与匈奴进行会战。

匈奴单于闻报汉兵将至，采纳赵信建议，将部众、牲畜、辎重转移到更远的北方，“以精兵待于幕北”。卫青出塞后，得知匈奴单于的战略意图，即率主力直扑单于所在，横渡大沙漠，北进几百公里，寻歼单于本部。同时命令李广、赵食其率所部从东面迂回策应。不久，卫青部主力与匈奴单于相遭遇。卫青下令用武刚车环绕为营，以防匈奴军的袭击，接着便指挥5000精骑向单于军发起猛攻，单于即遣一万骑应战。

双方鏖战至黄昏，大风骤起，飞沙扑面，两军难辨彼此。卫青乘势分轻骑从左右迂回包抄。单于见汉军人多势众，自度无法取胜，遂带数百精骑突围，向西北逃遁。卫青发现单于潜逃，即派轻骑连夜追击，自率主力随后跟进。是役虽然未能擒服单于，但一举歼俘匈奴军19000人，挺进到寘颜山（今蒙古杭爱山南端）的赵信城，尽烧其城和匈奴积粟而还。

在另一个方向，霍去病率军出代郡和右北平，北进1000余公里，渡过大漠，与匈奴左贤王部接战，尽歼其精锐，俘获屯头王、韩王以下70400余人。左贤王及其将领弃军逃逸，霍去病乘胜追杀，直抵狼居胥山（今蒙古乌兰巴托东），然后凯旋班师。