霍去病率軍從隴西郡出發後，越烏戾山，渡黃河，伐遫濮部，斬遫濮王，涉狐奴水，六天轉戰千餘裡，踏破匈奴五個王國，有如摧枯拉朽般，將河西諸小匈奴王族紛紛擊潰。漢軍連續長途奔襲，越過焉支山（峰腰地帶的甘涼交界處，位於山丹縣城東南40公裡處），在皋蘭山（張掖附近的合黎山附近）與匈奴主力展開決戰。已經打出士氣的彪悍漢軍騎兵深入敵境，在孤軍無援的情況下，與匈奴兵短兵相接，斬殺匈奴折蘭王、盧侯王，渾邪王敗走，渾邪王之子及其相國、都尉被俘，連休屠部祭天的金人都被漢軍繳獲。
漢軍取得第一次河西之戰的勝利後，為保證作戰的突然性，稍事休整後於同年夏天，漢武帝命令霍去病第二次率軍出擊河西地區，並派合騎侯公孫敖隨同出征，發起第二次河西之戰。
霍去病與公孫敖合領騎兵數萬，從北地出兵後分道向西進擊。博望侯張騫、郎中令李廣率萬餘騎兵出右北平，進擊左賢王部。霍去病出北地，深入到匈奴後部。但因合騎侯公孫敖走錯了路，未能與霍去病軍會合。沒有等到公孫敖軍的配合，霍去病獨自率領所部騎兵繼續依原定計劃急速前進，采用大縱深外線迂回作戰的策略，由今寧夏靈武渡過黃河，向北越過賀蘭山，涉浩瀚的騰格裡沙漠和巴丹吉林沙漠，繞道居延海（今內蒙古西北），轉而由北向南，沿弱水而進，經小月氏（未西徙的月氏人，今甘肅酒泉一帶），再由西北轉向東南，深入匈奴境內2000餘裡，在祁連山與合黎山之間的弱水上遊地區，從渾邪王、休屠王軍側背發起猛攻。
匈奴軍完全沒有想到會在這裡出現漢軍，不得不倉促應戰。由於是倉促應戰，匈奴兵大敗，漢軍取得決定性勝利，殲敵3萬餘人，迫降單桓王、酋塗王及相國、都尉等2500人，俘虜5王及5王母、單於閼氏、王子59人，相國、將軍、當戶、都尉63人。漢軍傷亡僅3千餘人。渾邪王、休屠王率殘軍逃走。
匈奴伊稚斜單於得知渾邪王、休屠王兩戰兩敗，不僅不少匈奴人被殲，還喪失了河西絕大部分領土，為此十分惱怒，便要對他們嚴加懲處。二王懼怕伊稚斜懲處，又無路可投，隻好派使者赴漢乞降。
此時渾邪王、休屠王兩人仍率有4萬多部眾，對外號稱10萬。漢武帝擔心他們有詐，便令霍去病率1萬騎兵前去受降。果然，漢軍還未到河西，休屠王便突然變卦拒絕降漢。渾邪王攻殺了休屠王，並收編了其部眾，但人心極不穩定。為了震攝匈奴，霍去病率漢軍渡過黃河後，迅速排列成威嚴的隊形前進。渾邪王率隊列陣迎候，他的一些裨王見漢軍陣容嚴整，心存疑懼，企圖逃走，眼看局勢不可控製。霍去病遠遠望見匈奴兵的陣地出現異動，當機立斷，立即率兵馬馳入匈奴陣中，與渾邪王相見，並下令將欲逃跑的8千餘人儘行斬首，迫使匈奴軍穩定下來，之後遣使護送渾邪王赴長安見漢武帝，自己則引領匈奴餘眾向西漢邊境緩緩而行。
接受渾邪王投降後，漢武帝封渾邪王為漯陽侯，將其部眾安置在隴西、北地、上郡、朔方、雲中五郡的邊地。為了切斷匈奴人與羌人的聯係，在河西地區設置武威、酒泉、張掖、敦煌四郡，史稱“河西四郡”。為鞏固對河西地區的管治，漢武帝下令從內地遷移大量人口到這裡，從而穩定了對河西地區的管治，徹底打開通了漢王朝通往西域的道路。
河西之戰是漢武帝繼漠南之戰後對匈奴采取的又一次重大戰略行動，也是漢武帝時期對匈奴最重大的三次戰役之一。這次戰役的勝利，使西漢王朝完全占據了河西走廊地區，打開了通往西域的道路，切斷了匈奴與羌人的聯係，為日後向漠北的匈奴單於、左賢王部發動進攻創造了條件。
元狩四年（公元前119年）的漠北戰役是漢王朝與匈奴之間規模最大的一次戰鬥。
河西之戰後，漢王朝已經取得了對匈奴作戰的優勢。為徹底消除匈奴禍患，漢武帝再派衛青、霍去病率10萬騎兵、幾十萬步兵，分別從定襄（內蒙呼和浩特東南）、代郡（河北蔚縣）出發，共擊匈奴單於於漠北。衛青北進千餘裡渡過大沙漠（戈壁沙漠），直抵闐顏山（蒙古杭愛山脈），殲敵1.9萬餘人。霍去病深入兩千多裡，追擊匈奴左賢王到狼居胥山（蒙古肯特山），斬首和俘獲共計7萬餘人，飲馬瀚海，並到達了貝加爾湖（俄羅斯）。
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