這是第一次河西戰役，共殲滅匈奴軍8000餘人。捷報飛馬送達長安。武帝振奮，群臣吃驚。誰也不敢相信，這一輝煌的戰績，竟出自年輕的軍事統帥霍去病之手。武帝為了獎勵霍去病的赫赫戰功，當即下令：霍去病增加封邑2000戶，全體將士賜予金帛，回師休整，駐軍隴西待命。
霍去病和將士們受到獎勵，更加激發了鬥誌。霍去病上書武帝，說：“匈奴休屠王和昆邪王雖然遭受重創，但其主力仍然存在。我軍撤出河西，他們必然會卷土重來。因此，臣請求實施第二次河西戰役，徹底消滅匈奴勢力，奪回河西地區。”武帝同意霍去病的請求，決定夏天開展第二次河西戰役。為了增加漢軍的戰鬥力，武帝任命公孫敖為將軍，再率3000名兵，補充到霍去病騎兵的行列。同時任命李廣、張騫為將軍，率14000騎兵，從右北平出塞，攻擊匈奴左賢王，牽製匈奴兵力，策應河西攻擊戰。
夏天很快到來。漢軍東、西兩線同時發動進攻，深入匈奴境內。霍去病牢記一個“奇”字，沒有重複原先的進軍路線，改從北地郡出塞，實行深遠的大迂回，以圖出其不意地殲滅敵人。且說東線。李廣和張騫分別率四千、一萬騎兵，合擊匈奴左賢王。李廣部深入匈奴境內數百裏，如期到達預定位置，而張騫部卻走錯了道路，沒能如期到達。左賢王的四萬騎兵，立即將李廣部包圍。漢軍見敵人十倍於自己，未免驚恐。李廣故意派兒子李敢外出巡視。李敢回來報告說：“胡虜不足畏也！”李廣說：“聽見沒有？匈奴軍沒有什麼了不起的！”他命漢軍圍成圓陣，外向，嚴陣以待。左賢王向漢軍發起進攻，先用箭『射』，矢下如雨；接著進攻漢陣，雙方展開了廝殺。激戰進行整整一天，漢軍死傷過半，匈奴軍死傷3000餘人。這時，李廣發現匈奴軍的幾名裨將，搖著旗幟指揮戰鬥。他遂使出高超的『射』技，連發幾箭，將那幾名裨將『射』殺。匈奴軍久聞“飛將軍”的大名，嚇得暫且後退，不敢輕易向前。當晚，剩餘的漢軍坐地休息，麵無人『色』。李廣卻意氣風發，談笑自如。次日天明，匈奴軍重新發起進攻，漢軍又死傷1000多人，形勢十分危急。幸好，張騫部的萬名騎兵終於趕到。匈奴軍被迫撤圍退去，李廣部避免了全軍覆沒。再說西線。霍去病和公孫敖從北地郡出塞後，即兵分兩路，向河西縱深迂回。不想，公孫敖部因不熟悉地形，『迷』失了道路，不能如期和霍去病部會合，這使霍去病再次陷入了孤軍作戰的境地。
他麵臨著兩個可供選擇的方案：一是引兵返回，空耗軍資；二是繼續前進，那要冒生死風險。此時此刻，霍去病想到的是掃除匈奴，保家衛國，即使粉身碎骨，也在所不惜。因此，他毅然選擇了後一個方案，率領己部萬名騎兵，實行大迂回，挺進祁連山。霍去病的騎兵從靈武渡過黃河，長途跋涉，穿越浩瀚的騰格裏沙漠和巴丹吉林沙漠，『插』向西北，直抵居延海畔。接著，從那裏沿弱水逆流往南，轉向西，再向東南，到達祁連山麓。那裏正是匈奴休屠王和昆邪王大本營的側背，居高臨下，敵人的營帳盡收眼底。
霍去病的這次迂回，等於畫了一個碩大的半圓，抄到了匈奴軍的屁股後麵。休屠王和昆邪王隻把眼睛盯著東方，做夢也沒有想到漢軍已經埋伏在身後。霍去病會集部將趙破奴、高不識、仆多等，進行了最後的戰前動員。隨後一聲令下，驍勇的漢軍猶如神兵天降，以迅雷不及掩耳之勢，突入匈奴軍營，大砍大殺。匈奴軍驚慌失措，不明白漢軍從何而來，有的逃跑，有的投降，許多人尚未反應過來，便成了刀下之鬼。這是一場短兵相接的戰鬥，殘酷而慘烈。結果，漢軍殺死匈奴軍三萬餘人，俘虜7000餘人，殺死匈奴遫濮王，俘虜匈奴單桓王、酋塗王、稽沮王、呼於耆王，以及單於閼氏、番王、王母、王子64人，相國、將軍、當戶、都尉63人。霍去病的騎兵，也有兩千人多人命喪戰場。這次戰役，開創了中國古代騎兵縱深迂回，圍殲敵人的戰略戰術。霍去病以少勝多，以弱克強，表現出了非凡的膽略和頑強的意誌。實踐證明，他是一位出類拔萃的軍事家。勝利捷報傳到長安，整個京師沸騰了，人們由衷地稱讚說：“霍去病，好樣的！你赤膽忠心，英勇無畏，真是大漢的英雄，民族的驕傲！