英布发现匈奴骑兵攻击速度比较快，派出第六军和澳洲原住民出战，利用第六军的一万根掷棍和原住民的澳洲曲棍同时投向冲锋中的匈奴骑兵，收获很大一万多名骑兵被打下了战马，一部分直接丧命，之后第六军兵士利用步兵连枷继续攻击剩余匈奴骑兵，一万原住民则使用战国青铜啄锤攻击被打下马的匈奴士兵。战斗打的非常惨烈，尸横遍野匈奴骑兵丧生了不到两万人，剩下的一万多人围住了城门，英布带着剩下的两万人紧守城门不要出城迎战，匈奴骑兵攻城无果就改道前往雁门。匈奴骑兵去雁门后不久，龙辉派来的援兵到达上郡，第十六军装备迈锡尼青铜剑和球头连咖。第十四军装备f形掷棍，双手长柄大斧和毛利战斧。苏美尔兵士装备阿兹特克黑曜石枪战国青铜流星锤，黑曜石枪长2.2米重2.5公斤，基里巴斯兵士装备鲨齿剑和战国青铜矛，鲨齿剑长100厘米重量1公斤剑身用鲨鱼的利牙做成非常锋利。
伊稚斜单于和右贤王远逃大漠以北，河西地区只剩下休屠王、浑邪王。汉武帝命票骑将军霍去病率一万骑兵，从陇西郡出发北击匈奴。渡过狐奴水，经过五个王国，转战六天，越过焉支山出一千余里，杀匈奴折兰王，斩卢侯王，俘获浑邪王的王子及相国、都尉，其斩首俘获匈奴军士八千九百余人，并夺得休屠王用以祭祀上天的金人。汉军损失了十分之七。汉武帝下诏，增霍去病食邑二千户。
霍去病与合骑侯公孙敖率领数万骑兵同时从北地郡分两路出击匈奴，卫尉张骞、郎中令广也同时从右北平郡分路出击，牵制左贤王。李广率四千骑兵为先锋，距大部队约数百里，张骞率骑兵万余人殿后。匈奴左贤王率骑兵四万，将李广率领的先头部队包围。李广命儿子李敢率领数十名骑兵直穿敌阵，从敌阵左右冲出后返回。李广命部下面对敌军列成圆形战阵，匈奴兵向汉军阵地猛攻，箭如雨下，汉军阵亡过半，箭也将尽。李广令部下拉满弓弦，不发射，他亲自用大黄强弓一连射死几名匈奴将领，匈奴攻势才渐渐缓和下来。第二天，汉军再次力战，消灭的敌人超过己方的损失。张骞的大军赶到，匈奴军撤围而去。汉军无力追击，撤兵而还。据汉律：博望侯张骞贻误军机，应处死，赎身后成为平民。李广功过相抵，没有封赏。
票骑将军霍去病深入匈奴二千余里，与迷失方向的公孙敖失去联络，未能会师。但霍去病率领部队跨越居延海，向西南沿弱水经过小月氏，向东抵达祁连山，生擒单桓、酋涂二王，丞相、都尉率众二千五百人投降，斩杀30200人，俘获小王七十余人。汉军损失了十分之三。汉武帝为霍去病增加食邑五千户，封其部下有功将领鹰击司马赵破奴为从票侯，校尉高不识为宜冠侯，校尉仆多为渠侯。合骑侯公孙敖因中途逗留，未能与霍去病会合，本应处斩，赎身后成为平民。
浑邪王、休屠王被汉军擒杀了好几万人，单于十分生气，想将他们召到王庭处死。浑邪王与休屠王计划投降汉朝，汉武帝担心他们是用诈降手段偷袭边塞，便命霍去病率兵前往迎接。休屠王对降汉后悔，浑邪王将他杀死，吞并其部众。霍去病渡黄河，与浑邪王所部遥遥相望。浑邪王部下见到汉军，很多人不愿投降而逃走。霍去病纵马驰入浑邪王大营，与他相见，将他企图逃跑的部下八千人斩杀，又派浑邪王一人乘传车前去面见武帝。同时命其部下全部渡过黄河，投降的四万余人。浑邪王到长安，汉武帝封为漯阴侯，食邑一万户，其部下小王呼毒尼等四人全都被封为列侯。又增加霍去病食邑一千七百户。休屠王太子金日䃅和他的母亲阏氏、弟弟金伦都被罚为官府奴隶，派到属于少府管辖的黄门养马。
汉武帝将归降的浑邪王部属分别迁徙到沿边五郡的旧要塞之外，全部在黄河以南，保持他们原有的风俗习惯，设立五个“属国”。从此，金城河西岸，傍南山直到盐泽一带，便没有了匈奴人。同年，汉朝在此地置酒泉郡。分酒泉郡东部置张掖郡，分酒泉郡西部置敦煌郡。以休屠王领地为武威郡。
汉武帝于是派遣大将军卫青率军出定襄，改令霍去病统领代郡的另一路精锐，以期他更为信任的年轻将军霍去病能生擒单于。
卫青率前将军李广、左将军公孙贺、右将军赵食其、后将军曹襄等出塞后，得知单于并未东去，遂自领精兵疾进，令李广、赵食其从东路迂回策应。卫青行千余里，穿过大漠，与早已布阵的单于本部接战，卫青先以武刚车环绕为营，稳住阵脚，随即遣5000骑出战。至日暮，大风骤起，沙石扑面，卫青乘势指挥骑兵从两翼包围单于。单于见汉朝军队很多，兵强马壮，自料难以取胜，率精骑数百，突围向西北逃走，匈奴军溃散。卫青急派轻骑追击，自率主力跟进。直至颜山赵信城，俘虏和斩杀一万九千人，损失也大抵如此，烧其积粟还师。李广、赵食其因迷失道路，未能与卫青会师漠北。
霍去病率校尉李敢等出塞后，同右北平郡太守路博德部会师，在深入漠北寻找匈奴主力的过程中，霍去病携带少量的辎重粮草，驱使所俘获的匈奴人为前锋为汉兵开路，跨过大漠，过河活捉单于大臣章渠，诛杀北车耆王，又转攻左大将双，缴获敌人的军旗战鼓。又越过难侯山，渡过弓卢水，抓获屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉等八十三人。此次远征，霍去病所率部队以一万的损失数量，前后一共俘虏和斩杀70443人，左贤王部主力自此几乎全没。霍去病封狼居胥山，禅于姑衍，临瀚海（今俄罗斯贝加尔湖）而还。此战之后，左贤王损失很大，同时失去了对乌桓的控制，汉朝得以徙乌桓于上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东五郡塞外，为汉侦察匈奴动静。可见，汉破匈奴左贤王地之前，经常侵扰上谷、渔阳、右北平、辽西等地的是以左贤王为首的匈奴人，经此一战，匈奴远遁，漠南无王庭。