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