漢帝得到訊息后，擔心這是詐降，于是在秋季命霍去病率大軍前去迎接渾邪王等人。
在漢軍渡過黃河，抵達渾邪王大營附近時，渾邪王麾下部分降眾不愿投降，密謀逃跑。在此緊急的關頭，霍去病率部馳入匈奴軍中，與渾邪王相見。
讓他不要擅自動彈，在霍去病威名的震懾下，渾邪王帶著要投降的部眾一動也不敢動，霍去病率領所部精銳騎兵，徑直沖入叛軍陣中，斬殺企圖逃亡的八千人，降異國之王三十二。
隨后，霍去病先將渾邪王單獨送往長安，再統領其部眾四萬余人歸漢。
此役之后，大漢直接占據了河西地區，而大漢西北邊境幾乎沒有了匈奴的進犯，于是漢帝下令減少了隴西、北地、上郡戍守之兵的一半。
隨后又在河西地區設置四郡，列置亭障，成為漢軍進軍西域的前哨，而匈奴的力量因此被極大削弱，不僅如此，匈奴依賴來自西域的物資，也被漢軍所阻斷。
漢三年
在遭受漢庭和部眾（渾邪王）連續打擊后的伊稚斜單于，惱羞成怒，派出麾下將領各遣兵數萬，分道進攻右北平和定襄兩郡。
但沒有建樹。
漢四年
漢帝以十四萬匹戰馬及五十萬步卒作為后勤補給兵團，命大將軍衛青與驃騎將軍霍去病各率領五萬騎兵，步兵和運輸物資的軍隊十萬余人，兵分兩路，跨漠遠征，共同打擊匈奴。
漢軍原計劃由霍去病出定襄攻擊，后從俘獲的匈奴兵口中得知伊稚斜單于在東方，于是霍去病改為東出代郡，而衛青西出定襄。
而伊稚斜則遵照自次王趙信的計謀，置精兵于漠北，準備來一個以逸待勞。
于是當衛青大軍出塞一千多里后，才與伊稚斜的匈奴軍主力相遇，順勢，雙方在野外開始漢匈之間第二次直接對戰。
衛青命前將軍李廣和右將軍趙食其兩軍合并，從右翼進行包抄。自率左將軍公孫賀、后將軍白離從正面對抗單于主力。
衛青下令讓早就準備好的武剛車排成環形營壘，又命五千騎兵縱馬奔馳，抵擋匈奴。匈奴也有大約一萬騎兵奔馳而來。
恰巧太陽將落，刮起大風，沙石遮蔽天日，兩軍都無法看見對方，但是漢軍左右兩翼沒有停下腳步，急馳向前，意圖包抄單于所部。
伊稚斜見漢軍勢眾，戰士、戰馬強大，若是交戰，自己恐怕打不贏。因此，在傍晚，雙方正在打著火把夜戰時，就乘著六頭騾子拉的車子，同幾百名壯健的親衛騎兵，徑直沖開漢軍包圍圈，向西北奔馳而去。
漢軍繼續與匈奴人廝殺，雙方殺傷人數相當。漢軍左校尉捕到匈奴俘虜，說伊稚斜在天未黑時就早已離去，衛青遂派出輕騎連夜追擊，自率主力跟隨其后。
而匈奴軍在失去了指揮后，也都四散而逃。
直到天快亮時，漢軍已行走了二百余里，但是仍然沒有追到伊稚斜，但是到達了窴顏山的趙信城，獲得了匈奴積存的糧食以供軍隊食用。
漢軍在趙信城留住一日后，把城中剩余的糧食全部燒掉才回師。
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