“河西战役”开创了中国古代骑兵纵深迂回，围歼敌人的战略战术。霍去病以少胜多，以弱克强，表现了非凡的胆略和顽强的意志。霍去病凯旋。汉武帝颁旨宣布，霍去病封邑再增加五千四百户，随征将士多人封侯。
匈奴休屠王和昆邪王丢失了河西走廊，畏惧匈奴伊稚斜单于降罪，请求投降汉朝。汉武帝决定，由霍去病率三万骑兵，前去受降。霍去病抵达陇西，匈奴二王的情况发生了变化，休屠王突然变卦，不愿降汉。昆邪王箭在弦上，不得不发，索性发兵攻袭休屠王，将他杀死，两部并作一部，共四万多人，驻军黄河西岸，徘徊观望。霍去病了解到这一情况，立刻作了周密部署，自率一万骑兵西渡黄河，另外安排二万兵马待命，准备接应。汉军和匈奴军两相对峙，剑拔弩张。昆邪王的裨将见汉军人数不多，顿时又心生他想，甚至蠢蠢欲试，企图袭击汉军。霍去病早就做好了两手准备，一面直接驰入匈奴军中，与昆邪王当面谈判；一面命部将出击，斩杀那些胆敢轻举妄动的敌人。汉军将士英勇无比，当场击毙怀有二心的匈奴军八千余人。昆邪王命令裨将解除武装，拱手投降。随后，汉朝在河西走廊地区，陆续设立武威郡（今甘肃民勤东北）、酒泉郡（今甘肃酒泉）、张掖郡（今甘肃张掖北）和敦煌郡（今甘肃敦煌西），委派官吏，进行行政管理，史称河西四郡。这样，汉朝的政治区划就向西部大大延伸，从金城直到盐泽（今新疆罗布泊）一带，匈奴势力几乎绝迹，汉朝通往西域的道路完全打通了。
元狩四年（公元前119年）夏天，汉武帝为了彻底“灭胡”，趁热打铁，实施“漠北战役”，组建起两大集团军，共十万名精锐骑兵，深入漠北作战。第一集团军，以大将军卫青为统帅，率五万骑兵；第二集团军，以骠骑将军霍去病为统帅，也率五万骑兵。为了保障后勤供应，另外组织起五十万步兵、民夫运输队伍。其中，驮运物资装备的骡马就有十四万匹。
按照预定的方案，卫青部从定襄出塞，进击左贤王；霍去病部从代郡出塞，进击伊稚斜单于。两大集团军迅速深入大漠，向北挺进。这是自古以来罕见的攻伐大军，战马奔驰，车轮滚滚，旌旗蔽日，刀剑鲜明。将士们一个个精神抖擞，士气高昂，决心为国家而战，为民族而战，充满壮怀激烈的雄心和豪情。
大漠，那是一片神奇的土地。丘陵遍布，沟壑纵横，沙岭连着沙岭，就像金色的波涛，高低起伏，绵延不绝。大漠的气候变化无常。忽儿烈日当空，沙粒发烫；忽儿风起云涌，沙飞石走。阴晴转换，全在一瞬间。英勇的汉军，历尽艰难，凭着坚韧不拔的顽强毅力和团结精神，顺利穿越了“死亡地带”。最可贵的还是后勤供应队伍，他们多是徒步，肩扛背负，驱赶骡马，在荒凉的大漠上，踩出一条千里补给线。骑兵前锋前进到哪里，物资装备运送到哪里，有效地保障了军械、粮草的供应。
两大集团军渡过大漠方才发现，两大集团军捕捉的目标，与预期的正好相反：卫青遇到的是伊稚斜单于的主力，霍去病遇到的却是左贤王的主力。再作变更是不可能的，只能面对现实，沉着冷静，运用智谋，歼灭敌人。卫青部深入漠北已经一千多里。伊稚斜听从副王赵信的计策，将王庭迁至更远的北方，亲率主力以逸待劳，专候汉军。卫青侦察到这一情况，命前军和右军东行，限期会合，进攻伊稚斜的侧翼；自己则率领中军向北挺进，进攻伊稚斜的正面。然而，前军和右军在行军途中迷失了方向，没有按期到达会合地点。这样，卫青只能孤军作战，陡然增加了意外的风险。卫青审时度势，镇定自若。他命部下用武刚车（一种有皮革防护的战车）围成圆形的坚固营垒，将精锐骑兵隐藏起来，偃旗息鼓。然后派出五千名骑兵，向伊稚斜发动进攻。伊稚斜以为汉军能够投入战斗的仅仅五千人而已，营垒中必是一些疲惫的伤员和辎重。他很得意，立刻亲率万名骑兵冲杀过来，双方展开恶战，没有人退缩，因为退缩就意味着死亡。金鼓齐鸣，人吼马嘶，刀光剑影，血肉横飞，五千汉军死死缠住一万匈奴军，谁也没占上风。双方直战到黄昏时分，天气突变，大风骤起，黄沙扑面，天昏地暗，两军对阵，只闻其声，不见其人。卫青抓住这一时机，一声令下，武刚车圆阵敞开，隐藏在营垒内的铁骑呼啸而出，就像黑色旋风，分成两股，从左右两侧包抄敌人。顿时，杀声震天，蹄声撼地，战场上铺天盖地，全是大汉的战马，大汉的士兵。铁骑所到之处，匈奴军人仰马翻，死伤一片。伊稚斜惊呼上当，关键时刻，丢弃部下，慌忙掉转马头，由数百名亲随护卫，趁着苍茫暮色，奋力突围，落荒而逃。深夜，卫青从捕获的俘虏口中知道，伊稚斜已经逃往西北方向。他立即派出一支轻骑兵，连夜追击。轻骑兵追击二百多里，不见伊稚斜踪迹，这才停止。这场大战，卫青虽然没有捉住匈奴单于，但基本上歼灭了伊稚斜的主力，共杀死和俘虏匈奴军一万九千余人。战后，卫青统领汉军，进抵寘颜山（今蒙古杭爱山南），入驻赵信城。赵信城里有匈奴军的大量屯粮。卫青在那里获得补给，停留一日，班师回国。
当卫青激战匈奴单于的时候，霍去病的骑兵也已深入漠北二千余里，遭遇匈奴左贤王的主力，发起了猛烈的攻击。左贤王生性狡猾，善于保存实力，所以部下兵马多达七八万人。他乍见汉军，特别是见汉军高举着的斗大“霍”字帅旗时，简直不敢相信自己的眼睛，惊慌地说：“他们是从地底下钻出来的不成？”他久闻霍去病的威名，不敢和汉军正面交锋，只顾自己逃跑。霍去病指挥五万精锐，突入敌阵，势如狂飙，砍瓜切菜似的，一场好杀。共杀死和俘虏匈奴军七万余人，击毙北车耆王，抓捕荤允王、屯头王、韩王，以及将军、相国、当户、都尉等八十三人。霍去病乘势追击左贤王。大军一直到达狼居山（今蒙古乌兰巴托东）。在该山的主峰上，霍去病积土为坛，举行了祭天仪式。随后又在附近的姑衍山，举行了祭地仪式。大军继续北进，搜捕残敌，登临瀚海（今俄罗斯贝加尔湖），凯旋而归。
漠北之战，是汉朝和匈奴之间规模最大的一场决战。这场决战，使匈奴遭到了毁灭性的打击，完全丧失了元气，一时再无力量振兵南侵。汉朝方面也付出了沉重的代价，士兵死了一万多人，战马损失十余万匹。匈奴单于为了休养生息，只得将王庭迁移到更远的北方。从此，“漠南无王庭”，汉朝边境出现了十余年和平安定的局面。
卫青和霍去病回到长安。汉武帝重赏功臣，新设大司马一职，卫青为大司马大将军，霍去病为大司马骠骑将军，二人的封邑和俸禄相等。而且，汉武帝还把丧夫寡居的姐姐平阳公主，嫁给卫青为妻。这样，卫青就成了汉武帝的双重外戚，既是妻弟，又是姐夫。史载，卫青性格宽仁，能够体恤士兵。霍去病则不然，性格刚烈，不大关心士兵的疾苦。霍去病显贵以后，武帝曾想给他建造府第。他说：“匈奴不灭，无以家为也！”其豪情壮志可赞可叹。然而在战场上，他骄纵任性，只知道猛打猛冲，从没想过改善士兵的生活。汉武帝犒劳将士的酒肉，普通士兵难得享用，军中经常断粮，士兵面有饥色，屡发怨言。而他视而不见，听而不闻，跑马击鞠，只顾自己快乐和开心。
名将李广在“漠北战役”中无功自杀，其子李敢因为立功而封关内侯。李敢怀疑父亲死得冤枉，一次在酒宴上责问并殴打了卫青。卫青体谅李敢的心情，并不在意。霍去病却不答应，怀恨李敢。不久在渭北射猎，霍去病公报私仇，竟然将李敢射杀。汉武帝偏爱霍去病，谎称李敢被麋鹿触毙，一件惊心大案，就此不了了之。
元狩六年（公元前117年），正当霍去病春风得意、前途无量的时候，突然患暴病而死。汉武帝非常痛心，下令陪葬茂陵（今陕西兴平境）。十一年后，卫青也病死，亦陪葬茂陵。为了纪念这两位杰出的将帅，汉武帝命把霍去病和卫青的墓，分别筑成祁连山、庐山的形状，以象征他俩征伐匈奴的功绩，犹如巍巍高山，永世长存。
