衝到敵方的後營，意味著對方根本沒有時間，也沒有地方再進行集結，可以說，這場仗已經勝了。不過徐自為卻乃不滿足，他對傳令兵說道：“命令四十一師，跟緊四十五師，一定要把對方截成幾段。”按照徐自為戰前布置的作戰計劃，他把漢軍六個師一下子都壓了上去，其中四十一和四十五兩個師負責中路突破，而另四個師則負責從兩翼推進，這一仗沒有預備隊，所以不能給對方任何喘息的機會。
事實上，河西聯軍也根本沒有喘息的機會，年初，徐自為曾偷襲過他們一次大營，著實讓他們緊張過一陣，可他們沒想過徐自為會在這種環境下故伎重演。河西聯軍的所有官兵都在自己的帳篷裏躲避嚴寒，當有人發現漢軍來襲時，大家第一件事不是想著找馬找兵器，而是找衣服，因為這種天氣不穿好衣服，用不了多長時間就會被凍死。所以當漢軍已經攻入整個營寨的時候，幾乎沒遇到任何抵抗，而當河西聯軍官兵穿好衣服，提著兵器出來的時候，已經不可能阻擊漢軍的進攻了，他們唯一能做的就是逃跑，向沒有漢軍出現的地方逃去。
當天色微明的時候，雪還在下著，整個大營的喊殺聲已經停止，所有沒來得及逃走的河西聯軍都停止了抵抗，漢軍也停止了屠殺。徐自為沒有時間統計自己的戰果，他命令部隊立即集結，押著俘虜返回自己的大營，把能帶走的東西都帶走，就連那些俘虜們也幫著搬運東西，因為他們知道，如果沒有多餘的物資，首先遭殃的就是他們。
中午時分，徐自為率軍渡過伊犁河返回自己的大營，傍晚的時候，派出去截殺逃敵的四萬烏孫騎兵也回來了，由於他們行動緩慢，隻抓到了數千逃散的敵軍。直到這個時候，徐自為才開始清點自己的戰利品，五萬俘虜，十萬多匹戰馬，數十萬牲畜，無數的輜重兵器，雖然不知道這一夜有多少人死在漢軍的馬刀下，但大家都知道，即使是逃走的敵軍也會因沒有食物，沒有禦寒的衣物而喪生在冰天雪地裏。
事實也是如此，由於雙方在此已經對峙了一年有餘，周圍的部落都已遷走，逃走的數萬敵軍根本得不到任何補給，他們隻能殺死僅有了一些戰馬充饑，再從倒斃在路邊的同伴身上扒下衣服穿在自己身上，在他們當中，許多人為了一塊馬肉，或是一隻靴子不惜殺死自己的同伴。最後，他們當中隻有不足萬人逃回了大月氏的都城藍氏城，其餘十萬人都死在了漢軍的馬刀下，或是死在了嚴寒之中。
伊犁河一戰使得徐自為的聲望在西域一帶如日中天，即使是漢軍與匈奴交戰的數十年間也沒有如此大的勝利，十七萬敵軍一夜間灰飛煙滅，漢軍從此再也沒有在西域有過大的戰爭。
此戰過後，大月氏等國徹底喪失了與漢軍對陣的信心，許多小國紛紛遣使長安，希望得到漢朝的保護，他們從此成為漢朝的附屬國。