匈奴汗國伊稚斜單于突圍後，好不容易才擺脫了漢朝輕騎兵的追擊，他只好找個地方先隱藏起來，戰場上匈奴士兵有組織的戰斗瓦解後，士兵四散逃奔，往往遠遠地跟在漢朝進攻部隊的後面，一同前進，希望能找到他們的單于。而伊稚斜單于大戰之後卻下落不明，群龍無首，各部落震撼。匈奴右谷蠡王誤以為伊稚斜單于已經死了，于是自稱單于。直到十余天之後，伊稚斜單于聽說漢朝已撤兵回去才在驚魂初定後出現，集合他的殘部。右谷蠡王這才去掉單于的稱號。
暫且放下衛青這路不提，再說驃騎將軍霍去病的情況。霍去病從東邊的代郡出發。他所率領部隊的人數，輜重與大將軍衛青所部相同，但士卒是經過精心挑選的驍勇善戰之士，而且漢武帝也沒有在霍去病手下配備副將。霍去病直接指揮的都是手下的校尉，兵權完全集中在自己手里，所以他的部隊兵力集中，攻擊力很強。李廣的兒子李敢就在霍去病麾下擔任校尉一職。
霍去病帶領手下五萬大軍，一齊出動，行動異常迅速，從代郡和右北平出塞，向北挺進了兩千余里。
霍去病領軍橫越瀚海沙漠，捕捉到了匈奴左賢王的主力。霍去病命手下人馬不停蹄，迅速進入戰斗狀態，發起了猛烈攻擊。這五萬漢軍個個驍勇善戰，合在一起如同一只巨拳，直搗左賢王的部隊。左賢王從沒有經曆過這麼沉重的沖擊，還沒能站穩腳跟，就被漢軍打得七零八落，根本沒能組織起有效的抵抗。兵敗如山倒，匈奴人一看大勢不好，狀如驚弓之鳥，伏馬落荒而逃。
霍去病下令尾追掩殺。匈奴人疲于奔命，被漢軍殺得人仰馬翻。霍去病俘虜了屯頭王、韓王等三位匈奴親王，以及將軍、相國、當戶和都尉等匈奴高級官員，一共八十三人。
霍去病一路追亡逐北，不覺大軍踏上了狼居胥山。他們在山上用石頭和泥土堆起了祭台，祭祀上天，又到較矮的姑衍山上舉行禪禮，祭祀地神。他們一是為了向匈奴示威，二也是為感激神靈的庇護，使他們連戰連捷。漢軍將士站立在高山之巔，回頭遙望瀚海沙漠，心中豪氣直沖霄漢。他們封狼居胥山，禪姑衍後，滿面喜色班師回朝。
霍去病這次取得了較大的戰果，一共斬殺和俘虜了匈奴七萬零四百四十三人之多，匈奴左賢王所部主力損失殆盡。
漢軍東西兩路均告大捷，漢武帝照例又是大賞三軍。他加封霍去病食邑五千八百戶，又封右北平郡太守路博德為邳離侯，衛山為義陽侯，複陸支為杜侯，伊即靬為眾利侯。從驃侯趙破奴，加封食邑三百戶。校尉李敢賜爵關內侯，封食邑兩百戶。軍中小吏、士兵也得到封賞和武功爵。而大將軍衛青不再封賞，部將之中也沒有人晉封侯爵，獲得賞賜。
這次漠北大決戰，漢朝兩支軍隊都大獲全勝。盡管漢軍是勝利者，但也付出了沉重的代價。兩軍出發時，軍馬及私馬共十四萬匹，班師入塞時只剩下不到三萬匹。馬匹尚且如此，由此可以推測漢軍傷亡也不輕。
漢武帝為了安排霍去病，就設立了指揮全部武裝的大司馬一職，由大將軍衛青和驃騎將軍霍去病甥舅二人共同擔任。漢武帝還下令，擢升驃騎將軍的官位和俸祿，待遇與大將軍衛青完全相同。主要因為這次大決戰中，霍去病的功勞已經遠遠超過了衛青，所以漢武帝就格外賞賜他。
這次漠北決戰，使匈奴的主力遭到毀滅性的打擊。前幾年漢武帝接連不斷地派大軍對匈奴用兵，匈奴人也是疲于奔命，轉移部落，因而牲畜驚恐墮胎，加上其中還有幾次大天災，所以在經濟上遭到了很大的損失。從此後，伊稚斜單于在很長一段時間內，再也不敢帶領軍隊到大沙漠以南，匈奴的各個王也不敢在大漠以南建立王庭。“漠南無王庭”，漢朝邊境也穩定了一段時間。
漢軍也有相當大的損失，士兵死亡一萬多人，戰馬損失十一萬多匹。在短時間內，雙方都難以恢複元氣。這才是雙方以後停戰十余年的一個因素。
漢武帝的顯著武功是和選用了衛青和霍去病這兩位統帥分不開的。這兩位漢軍統帥對漢武帝固然是忠心耿耿，對國家、民族在客觀上也做出了自己的貢獻。