同年夏天，霍去病四出匈奴。此戰霍去病成為漢軍的統帥，老將李廣等人只作為他的策應部隊。霍去病和公孫敖率數萬騎兵自北地郡進發，兵分兩路。霍去病深入敵境，而公孫敖迷了路，未能如期會合。李廣則被匈奴左賢王包圍。霍去病于是再次孤軍深入，采取迂回包抄式進攻，先由今寧夏靈武渡過黃河，向北越過賀蘭山，穿過騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠，繞道居延海（今內蒙古西北），經小月氏（今甘肅酒泉一帶），深入匈奴境內2000余里，在祁連山與合黎山之間的弱水上游地區，從渾邪王、休屠王側背發起猛攻。經過激烈的戰斗，擒獲單于手下的酋涂王，迫使2500人投降，斬殺匈奴30，200人，擒獲五位匈奴小王及他們的母親、單于的閼氏、王子59人，相國、將軍、當戶、都尉63人，匈奴的實力受到極大的打擊，而漢軍自身折損約十分之三。武帝加封霍去病食邑5400戶，并封賞了隨他出征的部下。賜霍去病軍中校尉左庶長爵位；封趙破奴為從驃侯，高不識為宜冠侯，仆多為輝渠侯。公孫敖因貽誤戰機，按律當斬，花錢贖罪為平民。

霍去病的河西之戰，絕對是中國古代騎兵迂回打擊的巔峰之作。以騎兵兵團深入匈奴腹地，實施大縱深外線迂回作戰，其距離的深遠常常使他的敵人難以置信。這就是為什么驃騎部隊攻勢那么凌厲。因為匈奴人被突如其來的敵人嚇懵了，他們來不及做防御，即使做了準備，但霍去病卻偏偏出現在他們尚未防守的地段，那些地段他們認為漢軍是無法前來襲擊的。

與其他軍隊相比，霍去病的士兵、馬匹和武器都是精挑細選出來的，別的將領都比不上，這是他取勝的關鍵。在戰斗中，霍去病總是敢于孤軍深入。常常率領這些驍勇善戰的騎兵沖鋒在前，他的軍隊似乎也有上天幫助，從未遇到過險境。而其他將領行軍，常因貽誤戰機而獲罪。此后，霍去病受到武帝的賞識，在朝中的地位與衛青不相上下。

而真正讓霍去病有如天神的戰役是“河西受降”。這一年秋天，伊稚斜單于因為駐守在西部的渾邪王屢次被霍去病的軍隊打敗，損失數萬人，非常生氣，想要召他到匈奴王廷來，趁機把他處死。渾邪王聽到消息后很害怕，與休屠王商議，決心投降漢朝。他們先派使者到漢匈邊境上聯絡，當時大行令李息正率兵在黃河邊上修筑城池，見到渾邪王的使者，不敢擅自做決定，火速報告給武帝。武帝既想招降渾邪王，又怕他假裝投降來襲擊邊境，于是命令霍去病帶領軍隊前去迎接。

霍去病接受特殊使命，五出匈奴，他大勇無畏，果敢而行，率兵渡過黃河，與渾邪王的部隊遙遙相望。對方的部將見到漢軍后，許多人不愿投降，有人開始逃跑。霍去病當機立斷，飛馬跑進匈奴軍營與渾邪王相見，他孤身犯險、不懼生死的氣勢鎮住了所有的人。霍去病斬殺企圖逃跑的匈奴8000人，先用傳車把渾邪王送到武帝的行宮，再將其余匈奴部眾分批渡過黃河。霍去病率領投降的匈奴有數萬人，號稱十萬，抵達長安。武帝賞賜投降的匈奴金錢達億萬，賜給渾邪王食邑一萬戶，封為漯陰侯，渾邪王的一些部下也被封了侯。

武帝對霍去病圓滿完成任務贊賞不已，嘉獎霍去病的武功道：“西部渾邪王及其部眾，有投降漢朝的想法，漢軍以軍糧接濟。驃騎將軍霍去病率領一萬驍勇善戰的將士，誅殺8000冥頑不化的匈奴悍匪，招降匈奴王32人，漢軍將士沒有傷亡，匈奴十萬眾歸降。漢軍戰士千里征戰，換來黃河沿岸要塞的安寧，邊郡不再有警訊。以1700戶加封驃騎將軍。撤銷隴西郡、北地郡、上郡的一半戍卒，以減輕天下傜役。”武帝將投降的匈奴分散安置在邊境的五個郡，在原來的關塞以外，但都在黃河以南，沿襲他們以前的習俗，作為漢朝的屬國。

河西受降順利結束，今天的我們只能用景仰的心努力想象，那個局勢迷離、危機四伏的時候，那位20歲的少年是怎樣站在敵人的營帳里，僅僅用一個表情一個手勢就將帳外數萬兵卒、八千亂兵制服的。漢王朝的版圖上，從此多了威武、張掖、酒泉、敦煌四郡，河西走廊正式并入漢王朝，為打通內地通往西域的道路奠定了基礎。曾經不可一世的匈奴為此悲歌道：“失我祁連山，使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我嫁婦無顏色。”