公元前119年，汉朝决定派卫青、霍去病率骑兵5万，步兵几十万人合围漠北。霍去病出代郡（今河北蔚县一带）右北平（今河北平泉县一带），卫青出定襄（今内蒙和林格尔），分兵越过沙漠，寻求与单于决战。根据沙漠作战的特点，霍去病大胆选用部分降汉的匈奴人和留居匈奴时间较长的汉人为军校，造成熟知匈奴军情和漠北物候的优势。率领有向导的轻骑兵，离开基地，深入敌后，“取食于敌”，“追奔逐北”两千多里，寻找单于。由于单于主力西移，他又率部翻离候山（今何地不详），渡弓卢水（今蒙古克鲁伦河），与匈奴左贤王（辖匈奴东部地方的最高长官）部酣战，结果获匈奴顿头等3小王将军、相国、都尉等83人，共斩俘7万余人，匈奴左部几乎全军覆灭。卫青率部北进1000多里，穿过大漠，向颜山赵信城（今蒙古人民共和国境内）进发，遭遇匈奴单于所率主力精骑，激战中匈奴单于向西北逃走，汉军虏匈奴近2万人。霍、卫两军终于胜利会师于瀚海（今贝加尔湖），为庆战功，在狼居胥山（今蒙古人民共和国德尔山）立祭天高坛，在姑衍山（今蒙古人民共和国乌兰巴托东）开祭地广场，后班师凯旋。此役收复大漠以南所有土地，屯田筑垒防御匈奴，“匈奴远遁，而漠南无王庭”，解除了西汉初年以来匈奴对汉王朝的威胁，霍去病也晋升为大司马骠骑将军。两年后，霍去病病逝，年仅24岁。汉武帝为他举行了隆重的葬礼，由披铁甲的官兵列队将灵柩护送到自己的墓穴茂陵东，葬于外形仿祁连山状的高大墓中，墓前还有汉武帝为表彰其战功而立的14件大型圆雕石刻。上书其座右铭：“匈奴末灭，何以家为！”李白《乐府诗胡无人》写道：“严风吹霜海草凋，筋干精坚胡马骄。汉家战士三十万，将军兼领霍嫖姚。流星白羽腰间插，剑花秋莲光出匣。天兵照雪下玉关，虎剑如沙射金甲。云龙风虎尽交回，太白入月敌可摧。”