同年秋霍去病奉命迎接率众降汉的匈奴浑邪王，在部分降众变乱的紧急关头，霍去病率部驰入匈奴军中，斩杀变乱者，浑邪王得以率4万余众归汉。
从此，汉朝控制了河西地区，为打通了西域道路奠定基础。匈奴为此悲歌：“失我祁连山，使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我嫁妇无颜色。”
此役后，西北边境几乎没有匈奴进犯。于是减少了陇西、北地、上郡戍守之兵的一半，以此使汉朝百姓的徭役负担得到宽缓，此战也标志着匈奴开始失去了对西域的控制。
元狩四年（公元前119年）春，武皇帝刘彻命卫青、霍去病（时年21岁）各率骑兵5万，“步兵转折踵军数十万”分别出定襄和代郡，深入漠北，寻歼匈奴主力。
霍去病率军北进两千多里，越过离侯山，渡过弓闾河，与匈奴左贤王部接战，歼敌人，俘虏匈奴屯头王、韩王等3人及将军、相国、当户、都尉等83人，乘胜追杀至狼居胥山（今蒙古国境内），在狼居胥山（今蒙古肯特山）举行了祭天封礼，在姑衍山（今蒙古国肯特山以北）举行了祭地禅礼，兵锋一直逼至北海（贝加尔湖）。
经此一战，匈奴被汉军在漠南荡涤，匈奴单于逃到漠北，“匈奴远遁，而漠南无王庭”。
此战后，匈奴失去对东北地区的控制。霍去病于是徙居于东北的乌桓于上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东五郡塞外，为汉侦察匈奴动静。汉朝要求其部落大人每年朝见，并置护乌桓校尉，使乌桓不得与匈奴交通。
元狩四年（公元前119年），汉武帝设置大司马位，大将军卫青、骠骑将军霍去病皆加官为大司马。同时定下法令，让骠骑将军的官阶和俸禄同大将军相等。从此以后大将军卫青的权势日日减退，而骠骑将军霍去病一天比一天显贵。卫青的老友和门客多半离开了他，而去奉事霍去病，这引的卫青的夫人平阳公主的不满。
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