另一路公孙敖部因迷失方向未能参加作战。为策应霍去病作战，郎中令李广、卫尉张骞率骑兵万余，从右北平（郡治平刚，今辽宁凌源西北）出发，进击左贤王。李广率4000骑北进数百里，因张骞部未能按时出发，被左贤王4万骑包围，军士皆恐慌，李广命其子李敢率数十骑冲击匈奴骑兵队伍，以鼓舞士气；并将骑兵列成圆阵御敌，匈奴进攻，则弓弩齐发。激战终日，汉军箭矢将尽，李广手持强弩“大黄”，连续射杀匈奴裨将数人，缓解了匈奴的进攻。战至次日，汉军死伤过半，匈奴也伤亡很大。时张骞率万骑赶到，左贤王解围北撤，完成了牵制左贤王部的任务。

此战的失败，使匈奴人非惧怕，他们悲伤地唱道：“亡我祁连山，使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我妇女无颜色。”

在河西之战期间，汉武帝特地从京城送来一坛美酒，霍去病没有独自享用，而是将酒倒入泉水中，让全军将士饮用，后来，此泉就称为酒泉，当地也就以泉命名。

与诸将军所率军队相比，霍去病军队的士兵、马匹和武器装备是经过挑选的，都好于诸将。这是他的军队取胜的关键。但他本人也敢深入敌人腹地作战，常常跟精壮骑兵跑在大部队前面。他的部队似有天助，从没有遇到过大危险。从此骠骑将军霍去病越来越受汉武帝的宠信而显贵，与大将军卫青不相上下。

同年秋，匈奴单于由于恼怒浑邪王屡次被汉军打败，损失几万人，单于发火，打算杀掉浑邪王。浑邪王和休屠王等商量想要投降汉朝，便派人先到汉边境约期投降。大行令李息得到消息后立即报告汉武帝，武帝担心他们利用诈降来偷袭，便派霍去病率军前去迎接。霍去病领兵渡过黄河，与浑邪王远近相望。浑邪王部将看到汉军，许多人不想投降了，纷纷逃遁。霍去病飞马跑进匈奴军营与浑邪王相见，斩杀想逃跑的士兵八千人，又命浑邪王乘驿车去面见武帝，自己则率所降士兵数万人，号称十万人，返回长安。

他们到达长安，武帝用于赏赐的财物价值几十万。封浑邪王万户，为漯阴侯。封其裨王呼毒尼为下摩侯，檿庛为煇渠侯，禽黎为河綦侯，大当户调虽为常乐侯。骠骑将军霍去病又因不损失军队而使匈奴十万军民倾心归服，被加封食邑一千七百户。由于霍去病的这一胜利，使得河西一带变得安定和平，汉减少了这一带的驻防士兵。从此汉朝控制河西地区，打开了通向西域的通道。