這一年漢廷損失兩位將軍，翕侯趙信叛變，漢軍出征建功不多，因此衛青沒有得到封賞。蘇建返回後，武帝沒有殺他，隻是讓蘇建花錢贖罪，而後將蘇建貶為庶人。武帝賞賜衛青一千金。當時王夫人正在受到武帝的寵幸，寧乘勸衛青，說：“將軍功勞不是很多，卻可以享受萬戶食邑，三個兒子也受封為列侯，這是因為皇後的緣故。現在王夫人受到皇帝寵幸，而王夫人的親屬卻還不富貴，將軍何不拿出皇帝賞賜的千金，為王夫人母親祝壽。”衛青拿出五百金為王夫人的母親祝壽。武帝聽說此事後，就此事詢問衛青，衛青將寧乘教給他做此事的經過稟報武帝，武帝任命寧乘為東海郡都尉。
校尉張騫跟隨大將軍，此前張騫曾經出使大夏國，在匈奴逗留的時間很久，了解草原情況，可以引導漢軍，找到水源和牧草豐美的地域，漢軍出征，沒有受到饑渴的煎熬，因為此前出使西域有功，武帝封張騫為博望侯。
霍去病被封為列侯第三年，元狩二年（公元前121年）春天，霍去病擔任驃騎將軍，率領一萬漢軍騎兵從隴西郡出兵，再次建立功勳。武帝說：“驃騎將軍率領大軍翻越烏戾山，征討速濮部落，渡過狐奴河，跨越五個匈奴王國，將繳獲的敵人輜重、俘虜、投降的部眾置於身後，直搗敵寇巢穴，幾乎擒獲匈奴單於的兒子。轉戰六天，翻越焉支山，行進一千餘裏，短兵相接，在皋蘭山下鏖戰，斬殺折蘭王，斬殺盧侯王，強敵在漢軍麵前，紛紛瓦解，漢軍全身而退，捕獲甚多，捕獲的匈奴有渾邪王子和相國、都尉，斬殺匈奴八千九百六十人，繳獲休屠王祭天的金人，殲滅匈奴的部眾達十分之七，加封霍去病食邑二千二百戶。”
元狩二年夏天，霍去病與合騎侯公孫敖從北地郡出兵，而後兵分兩路。博望侯張騫、郎中令李廣從右北平郡出兵，而後兵分兩路。李廣率領四千漢軍騎兵在前，張騫率領一萬漢軍騎兵在後。匈奴左賢王率領數萬騎兵包圍李廣，李廣所率領的漢軍與匈奴大戰二天，死傷過半，殺傷的敵軍，數字也大致相當。張騫率領的漢軍趕到戰場，匈奴引兵退去。張騫因為行軍滯後，不能及時抵達戰場，按照漢朝法律當斬，花錢贖罪後被貶為庶人。霍去病率領的漢軍從北地郡出兵，深入敵境，合騎侯公孫敖迷失道路，沒有與驃騎將軍的大軍會合。霍去病一路衝殺至祁連山下，捕獲的匈奴非常多。武帝說：“驃騎將軍渡過鈞耆河，渡過居延河，抵達小月氏部落，攻下祁連山，在鱳（lè）得縣耀武揚威，擒獲單於手下的單桓王、酋塗王，以及匈奴的相國、都尉，迫使二千五百位匈奴人投降，可謂戰功卓著，震懾敵寇。此次大捷，共俘虜匈奴三萬零二百人，有五位王，有匈奴王的母親，單於的閼氏、還有王子以下五十九人，相國、將軍、當戶、都尉六十三人，出征將士大約損失十分之三，加封霍去病食邑五千四百戶。賜跟隨霍去病抵達小月氏的校尉左庶長爵位。鷹擊司馬趙破奴第二次跟隨驃騎將軍，在戰場上斬殺匈奴速濮王，擒獲稽且王，手下的右千騎將擒獲匈奴王，還有王的母親，王子以下四十一人，俘虜匈奴部眾三千三百三十人，加上上次捕獲的一千四百人，封趙破奴為從驃侯。校尉高不識跟隨驃騎將軍，擒獲了呼於耆王子以下十一人，俘虜匈奴部眾一千七百六十八人，封高不識為宜冠侯。校尉仆多也有功勞，封為輝渠侯。”合騎侯公孫敖因為沒有與驃騎將軍會合，貽誤軍機，按照漢朝法律當斬，花錢贖罪後被貶為庶人。其他將軍所率領的漢軍，戰鬥力不如霍去病，霍去病率領的漢軍經過嚴格挑選，也敢於孤軍深入敵境，霍去病率領著驍勇善戰的漢軍，衝鋒在前，似乎也有著上天在幫助，霍去病從來沒有遇到過絕境。其他將領則沒有這麼好的運氣。此後霍去病日益受到武帝賞識，在朝中堪與大將軍比肩。
再後來，伊稚斜單於怨恨渾邪王駐守在西部，一再遭受漢軍打擊，損失數萬人，這些損失均是在驃騎將軍的打擊下造成的，伊稚斜單於召渾邪王到匈奴王庭來，要殺掉他。渾邪王與休屠王商議後，決計投降漢朝，派人先到邊境聯絡。此時大行令李息正在黃河岸邊修築城堡，捕獲渾邪王派來的使者，馬上向武帝報告。武帝擔心匈奴投降有詐，妄圖乘機襲擊漢朝邊郡，於是詔令霍去病率領漢軍前往迎降。霍去病率軍渡過黃河，與渾邪王的部眾遙遙相望。渾邪王手下的裨將、小王看到漢軍後，很多人開始猶豫彷徨，有人逃跑。霍去病當機立斷，率軍馳入敵陣，與渾邪王相見，斬殺企圖逃跑的匈奴八千人，然後讓渾邪王登上傳車，先行抵達皇帝行宮，再將其餘的匈奴部眾分批渡過黃河，投降的匈奴有數萬人，號稱十萬。抵達長安後，天子賞賜這些投降的匈奴金錢達億萬。賜予渾邪王食邑一萬戶，封為漯陰侯。封渾邪王手下的裨王呼毒尼為下摩侯，雁疪為輝渠侯，禽黎為河綦侯，大當戶調雖為常樂侯。武帝讚賞霍去病的勇敢，說：“驃騎將軍去病率領漢軍征討匈奴，西域渾邪王及其部眾萌發投降漢朝的想法，漢軍以軍糧接待他們，將軍率領一萬驍勇善戰的漢軍將士，誅殺那些冥頑不靈的匈奴悍匪，據捷報，斬首八千人，招降匈奴王三十二人。漢軍將士沒有傷亡，而匈奴十萬之眾歸降。正是漢軍千裏征戰，才換來黃河一帶，沿邊要塞的安寧，邊郡從此不再有邊患。以一千七百戶加封驃騎將軍。撤消隴西郡、北地郡、上郡的一半戍卒，以減輕天下徭役。”武帝將投降的匈奴部眾，分散安置在邊境的五個郡，還是原來塞外的地方，位置在黃河以南，按照匈奴民族的生活習俗，稱為屬國。元狩三年（公元前120年），匈奴再次入侵右北平郡、定襄郡，殺害漢朝軍民一千餘人。
接下來一年，武帝與將軍們商討：“翕侯趙信為單於設謀，以為漢軍不敢穿越沙漠。深入進匈奴腹地，現在我們派大軍奇襲，一定可以大獲全勝。”這是元狩四年（公元前119年）。當年春天，武帝詔令大將軍衛青、驃騎將軍霍去病各率領五萬騎兵，加上步兵和後勤輜重，共有幾十萬人馬，選擇敢於不畏強敵，深入匈奴縱深的漢軍，交予霍去病指揮。霍去病最初準備從定襄郡出兵，直接與伊稚斜單於對陣。從捕獲的匈奴口中得知，伊稚斜單於在東邊，於是又改變了行軍路線，霍去病從代郡出兵，衛青從定襄郡出兵。郎中令李廣擔任前將軍，太仆公孫賀擔任左將軍，主爵趙食其擔任右將軍，平陽侯曹襄為後將軍，全部歸大將軍節製。趙信為伊稚斜單於出謀劃策，說：“漢軍即使穿越沙漠。也一定會人困馬乏，到了那時候，匈奴可以坐等捕獲漢軍俘虜。”於是伊稚斜單於向沙漠以北運送輜重，布置精兵在沙漠以北迎候漢軍。此時衛青率領的漢軍已經出塞一千餘裏，與伊稚斜單於的大軍迎麵相遇，匈奴騎兵嚴陣以待，迎擊漢軍。衛青命令漢軍用武剛車環繞陣地，加固漢軍陣營，而後命令五千騎兵，向匈奴戰陣發起勇猛衝擊，伊稚斜單於指揮上萬騎兵，縱馬揮刀迎戰漢軍。兩支大軍混戰在一起，隻殺得夕陽西墜，狂風呼哨，一時間天昏地暗，飛沙走石，戰場上兩軍相遇，難以辨認對方，漢軍此時又從左右兩翼包抄上來。麵對著漢軍的勇猛衝殺，在伊稚斜單於的眼中，漢軍如同狂飆驟起，鋪天蓋地般地殺來，喊殺聲響徹雲天，匈奴軍隊逐漸不支，在薄暮中，伊稚斜單於帶上六匹健騾，還有貼身的幾百名騎兵，突破漢軍重圍，向西北方向落荒而逃。夜幕降臨，漢軍、匈奴騎兵仍然在抓對廝殺，兩軍死傷的人數大致相當。漢軍左校尉捕捉到的俘虜，說單於在天黑前就已經突圍出去，漢軍隨即派出輕騎兵，乘著夜色猛追窮寇，衛青緊隨其後。匈奴殘軍逐漸散去。第二天黎明，漢軍已經追出去二百餘裏，沒有找到伊稚斜單於，總結戰況，此次大戰，斬殺俘獲匈奴一萬多人，衛青遂率領大軍，直達寘（tián）顏山趙信城，繳獲匈奴存留下來的大批軍糧。漢軍在趙信城停留一天，凱旋而歸，臨走時，除補充漢軍，將剩下來的糧食全部燒毀。
衛青與伊稚斜單於會戰時，前將軍李廣、右將軍趙食其的部隊從東邊迂回，途中迷失道路。大將軍率領漢軍返回，穿越沙漠，在沙漠以南碰上這兩隻掉隊的漢軍。衛青要向皇帝奏報整個戰役穿越，讓大將軍幕府長史詢問李廣為何延誤時機，責令李廣說明原因，李廣自殺。趙食其撤軍返回後，被判處死罪，花錢贖罪後被貶為庶人。衛青大軍返回後，統計戰果，此次出征，共斬殺捕獲匈奴一萬九千餘人。
當時匈奴部眾已經與伊稚斜單於失去聯係，前後長達十幾天時間，右穀（yù）蠡王遂自立為單於。伊稚斜單於與部眾又再次會合，右穀蠡王隨即取消單於稱號。
霍去病率領的漢軍，騎兵、後勤輜重與大將軍一樣，但是沒有裨將。隻是任命李敢等人擔任校尉，負裨將責任。大軍從代郡、右北平郡出發，前進二千餘裏，遇到匈奴左賢王的部隊，在戰場上斬殺、捕獲的匈奴，數字超過衛青。
兩路大軍返回後，武帝說：“驃騎將軍霍去病率領漢軍征討匈奴，攜帶少量輜重，穿越沙漠，深入匈奴腹地，涉河擒獲單於重臣章渠，斬殺北車耆王；轉而進攻左大將雙，繳獲旗鼓，翻越難侯山，渡過弓盧河，擒獲屯頭王、韓王等三人，將軍、相國、當戶、都尉等八十三人；在狼居胥山祭天，在姑衍山祭地，抵達翰海，斬殺擒獲匈奴達七萬零四百四十三人，所率漢軍損失十分之二，從繳獲中補充漢軍的軍糧輜重，長途奔襲，仍然能夠保證軍糧供應不絕。加封驃騎將軍食邑五千八百戶。右北平郡太守路博德隸屬驃騎將軍，約定在興城會合，按期抵達，跟隨大軍抵達檮（táo）餘山，斬獲匈奴二千八百人，封路博德為邳離侯。北地郡都尉衛山跟隨驃騎將軍擒獲匈奴小王，封衛山為義陽侯。原歸義侯因淳王複陸支，樓剸（tuán）王伊即靬跟隨驃騎將軍征討匈奴有功，封複陸支為杜侯，封伊即靬為眾利侯。從驃侯趙破奴、昌武侯趙安稽跟隨驃騎將軍征討匈奴有功，各加封食邑三百戶。漁陽郡太守解、校尉李敢在這次征討匈奴的戰役中，繳獲戰鼓、旗幟，賜予關內侯爵，漁陽郡太守解享受食邑三百戶，李敢享受食邑二百戶。賜校尉徐自為左庶長爵。”軍中官吏、士卒升官、受到賞賜的極多。衛青此次出征沒有得到封賞，軍中官吏、士卒也沒有得到封賞。隻有西河郡太守常惠、雲中郡太守遂成受到封賞，遂成的俸祿達到諸侯國相，享受食邑二百戶，黃金百斤，常惠受賜為關內侯爵。