元狩二年（公元前年），刘彻以霍去病为骠骑将军率万骑击河西匈奴。霍去病从陇西出发，向西北挺进，历五王国，过焉支山（甘肃山丹东南）千余里，大破匈奴，斩折兰王、卢侯王，俘获浑邪王子及相国、都尉及休屠王祭天金人等，斩获八千九百余人。

当年夏，刘彻命霍去病及公孙敖率数万骑，改由北地（甘肃庆阳西北）出发，大迂回经居延（内蒙额济纳旗东南），再击河西匈奴。同时派张骞、李广率万余骑出右北平对左贤五部进行牵制性进攻。

霍去病率部向北渡黄河，越贺兰山，过居延，深入迂回一千余公里，向西南直插祁连山（甘肃张掖南）地区，大破浑邪王、休屠王所部，斩首三万两百余人；俘五王、王母、单于阏氏、王子五十九人，相国、将军、当户、都尉六十三人；单桓王、酋涂王及相国都尉以下二千五百人投降，河西匈奴只剩十分之三。

右北平方面，李广率四千骑先到，被左贤士率四万骑围攻，李广沉着奋战，激战两日，死伤过半，杀敌亦相当。张骞军到，左贤王解围而去。

当年秋，浑邪王率四万余人降汉。河西问题彻底解决，刘彻置酒泉、武威二郡。

⑤漠北大决战

赵信投降匈奴后，向单于献计：“益北绝幕（到大漠以北去），以诱罢（疲）汉兵，徼（抄袭）极而取之。无近塞。”单于同意他的建议，徙至漠北。

元狩四年（公元前年）春，刘彻对诸将说：“赵信为单于画计，常以为汉兵不能度幕轻留，今大发卒，其势必得所欲。”乃令大将军卫青与骠骑将军霍去病各率五万骑，带私负从马四万匹，步兵携辎重在后跟进的又数十万人，度沙漠与匈奴主力决战。霍去病从代郡出发，求单于主力决战。卫青则指挥李广等，并携带大量武刚车，从定襄出发，求匈奴左部兵决战。

匈奴单于用赵信建议，将辎重远送更北处，以精兵列阵漠北，卫青出塞后，由俘虏处得知单于所在，遂分两路挺进。命李广等出东道；自率主力出西道直奔单于所在地。