同年夏天，霍去病四出匈奴。此战霍去病成为汉军的统帅，老将李广等人只作为他的策应部队。霍去病和公孙敖率数万骑兵自北地郡进发，兵分两路。霍去病深入敌境，而公孙敖迷了路，未能如期会合。李广则被匈奴左贤王包围。霍去病于是再次孤军深入，采取迂回包抄式进攻，先由今宁夏灵武渡过黄河，向北越过贺兰山，穿过腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠，绕道居延海（今内蒙古西北），经小月氏（今甘肃酒泉一带），深入匈奴境内2000余里，在祁连山与合黎山之间的弱水上游地区，从浑邪王、休屠王侧背发起猛攻。经过激烈的战斗，擒获单于手下的酋涂王，迫使2500人投降，斩杀匈奴30，200人，擒获五位匈奴小王及他们的母亲、单于的阏氏、王子59人，相国、将军、当户、都尉63人，匈奴的实力受到极大的打击，而汉军自身折损约十分之三。武帝加封霍去病食邑5400户，并封赏了随他出征的部下。赐霍去病军中校尉左庶长爵位；封赵破奴为从骠侯，高不识为宜冠侯，仆多为辉渠侯。公孙敖因贻误战机，按律当斩，花钱赎罪为平民。
霍去病的河西之战，绝对是中国古代骑兵迂回打击的巅峰之作。以骑兵兵团深入匈奴腹地，实施大纵深外线迂回作战，其距离的深远常常使他的敌人难以置信。这就是为什么骠骑部队攻势那么凌厉。因为匈奴人被突如其来的敌人吓懵了，他们来不及做防御，即使做了准备，但霍去病却偏偏出现在他们尚未防守的地段，那些地段他们认为汉军是无法前来袭击的。
与其他军队相比，霍去病的士兵、马匹和武器都是精挑细选出来的，别的将领都比不上，这是他取胜的关键。在战斗中，霍去病总是敢于孤军深入。常常率领这些骁勇善战的骑兵冲锋在前，他的军队似乎也有上天帮助，从未遇到过险境。而其他将领行军，常因贻误战机而获罪。此后，霍去病受到武帝的赏识，在朝中的地位与卫青不相上下。
而真正让霍去病有如天神的战役是“河西受降”。这一年秋天，伊稚斜单于因为驻守在西部的浑邪王屡次被霍去病的军队打败，损失数万人，非常生气，想要召他到匈奴王廷来，趁机把他处死。浑邪王听到消息后很害怕，与休屠王商议，决心投降汉朝。他们先派使者到汉匈边境上联络，当时大行令李息正率兵在黄河边上修筑城池，见到浑邪王的使者，不敢擅自做决定，火速报告给武帝。武帝既想招降浑邪王，又怕他假装投降来袭击边境，于是命令霍去病带领军队前去迎接。
霍去病接受特殊使命，五出匈奴，他大勇无畏，果敢而行，率兵渡过黄河，与浑邪王的部队遥遥相望。对方的部将见到汉军后，许多人不愿投降，有人开始逃跑。霍去病当机立断，飞马跑进匈奴军营与浑邪王相见，他孤身犯险、不惧生死的气势镇住了所有的人。霍去病斩杀企图逃跑的匈奴8000人，先用传车把浑邪王送到武帝的行宫，再将其余匈奴部众分批渡过黄河。霍去病率领投降的匈奴有数万人，号称十万，抵达长安。武帝赏赐投降的匈奴金钱达亿万，赐给浑邪王食邑一万户，封为漯阴侯，浑邪王的一些部下也被封了侯。
武帝对霍去病圆满完成任务赞赏不已，嘉奖霍去病的武功道：“西部浑邪王及其部众，有投降汉朝的想法，汉军以军粮接济。骠骑将军霍去病率领一万骁勇善战的将士，诛杀8000冥顽不化的匈奴悍匪，招降匈奴王32人，汉军将士没有伤亡，匈奴十万众归降。汉军战士千里征战，换来黄河沿岸要塞的安宁，边郡不再有警讯。以1700户加封骠骑将军。撤销陇西郡、北地郡、上郡的一半戍卒，以减轻天下傜役。”武帝将投降的匈奴分散安置在边境的五个郡，在原来的关塞以外，但都在黄河以南，沿袭他们以前的习俗，作为汉朝的属国。
河西受降顺利结束，今天的我们只能用景仰的心努力想象，那个局势迷离、危机四伏的时候，那位20岁的少年是怎样站在敌人的营帐里，仅仅用一个表情一个手势就将帐外数万兵卒、八千乱兵制服的。汉王朝的版图上，从此多了威武、张掖、酒泉、敦煌四郡，河西走廊正式并入汉王朝，为打通内地通往西域的道路奠定了基础。曾经不可一世的匈奴为此悲歌道：“失我祁连山，使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我嫁妇无颜色。”