元狩二年，霍去病以骠骑将军率万骑出陇西，越过焉支山（今甘肃山丹东南）千余里,斩首虏近九百级,缴获休屠王祭天金人。同年夏，再出陇西、北地两千余里，越过居延泽，进军祁连山，捕斩首虏三万余级。这次战役沉重地打击了匈奴右部，匈奴浑邪王杀休屠王，率部四万余人归汉。汉分徙其众于边塞之外，因其故俗置五属国，又先后设立武威、张掖、酒泉、敦煌四郡，由此沟通了自内地与西域的直接交往，对西汉和匈奴势力的消长也发生了显著的影响。霍去病墓陕西兴平

元狩四年，汉武帝又命卫青、霍去病各领骑兵五万人，领私负从马四万骑和步兵辎重兵几十万人，分道出击匈奴，霍去病出代、右北平两千余里，获匈奴屯头王、韩王等，将军、相国、当户、都尉等八十三人，封狼居胥山（今蒙古乌兰巴托以东），登临翰海（或为今苏联贝加尔湖）,卤获七万余级。霍去病益封五千八百户,拜大司马骠骑将军，秩禄与大司马大将军卫青等同而恩宠有过之而无不及。

霍去病用兵注重实际，不死守兵法。武帝曾想教他学吴、孙兵法，他说：用兵要根据具体情况制订作战方略,不能单学兵法。武帝要为他修治第宅，他又说:“匈奴不灭，无以家为。”在打仗时,他也总是身先士卒,经常率领部队担任大军的先锋。但因少时长于宫中，自恃显贵，不能抚恤士卒。在塞外时，汉武帝曾以太官膳食数十乘犒赏。及霍去病军归，所弃粱肉甚多，而士卒尚有饥者。霍去病死于元狩六年，终年还不到三十岁。