涉狐奴”，转战河西五国，辎重多，人马众，对降服者予以宽赦，与单于的儿子交战，几乎将其生擒。再越过焉支山，转战六天，急行军一千多里，最终在皋兰山下与匈奴军激战，重创匈奴，杀死匈奴折兰王、卢侯王，歼灭其精锐，浑邪王子及相国、都尉等全部被俘。
此役，汉军共斩首八千九百六十级，并俘获了休屠王的祭天金人，自身亦颇有折损，战后，因功加封食邑二千二百户。
在同年夏季的攻势中，霍去病与合骑侯公孙敖从北地郡，率军分路进军，公孙敖迷路迟到，未能与霍去病会和。霍去病孤军深入，远涉浚稽山南的湖泽，越过居延海，过小月氏，攻抵祁连山，俘获得单于单桓、酋涂王，收降其相国、都尉以下的降者二千五百人。
此役，汉军共斩得匈奴军首级三万二百级，生擒匈奴五王，五王母，匈奴单于的阏氏及王子五十九人，相国、将军、当户、都尉六十三人，让匈奴的实力受到一次极大的打击，而汉军自身折损约十分之三。
武帝得到捷报后，加封霍去病食邑五千四百户，而跟随霍去病出征至小月氏的校尉都被封为左庶长，其部下赵破奴、高不识及仆朋均被封侯。
伊稚斜单于恼怒于浑邪王多次的败绩，于是想将其召至单于庭而后诛杀，浑邪王得讯，马上联合休屠王等筹划投降汉朝事宜，并遣使告知汉廷。武帝得到讯息后，担心这是诈降，于是在秋季命霍去病率大军迎接浑邪王等。
在汉军渡过黄河，抵达浑邪王大营附近时，浑邪王麾下部分降众不愿投降，密谋逃跑。在此紧急的关头，霍去病率部驰入匈奴军中，与浑邪王相见，斩杀企图逃亡的军士八千人，降异国之王三十二。随后，霍去病先将浑邪王单独送往长安，再统领其部众四万余人（号称十万人）归汉。
此役后，西北边境几乎没有匈奴进犯，汉武帝于是减少了陇西、北地、上郡戍守之兵的一半，使全国百姓的徭役负担得到宽缓。
从此，汉朝控制了河西地区，为打通内地通往西域的道路奠定了基础，匈奴为此悲歌道：“失我祁连山，使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我嫁妇无颜色。”
二十二岁时，汉武帝命卫青与霍去病各率骑兵五万，步兵转折踵军数十万，分别出定襄和代郡，深入