在汉武帝时代与匈奴的战争中，一些将领脱颖而出，其中最著名的就是大将卫青和青年将领霍去病。霍去病生于公元前年，病逝于前年，死时年仅24岁。在他短暂的一生中，建立了卓越的功勋，死后陪葬茂陵，朝廷仿祁连山形为其修筑坟墓。
元朔年间卫青北击匈奴时，霍去病已经崭露头角，因军功而被封为冠军侯。霍去病封侯后三年，即元狩二年春，汉武帝任命霍去病为骠骑将军（设骠骑将军之始，位在三司，品秩同大将军），率一万骑兵，出陇西击匈奴。汉军历匈奴五王之地，转战六日，越焉支山千余里，杀匈奴折兰王、卢胡王，擒获浑邪王的儿子及相国、都尉，俘斩八千余人，获休屠王祭天金人。霍去病因这次的战功，得益封二千户。
当年夏，骠骑将军霍去病与合骑侯公孙敖出北地，分道进兵。博望侯张骞、郎中令李广出右北平，亦分道而进。李广率四千骑兵先发，张骞率骑兵一万在后。匈奴左贤王率骑兵数万围攻李广，李广率部迎战两日，死者过半，所杀亦过当。张骞援军至，匈奴军退走。张骞因行军迟滞，按军法当斩，后赎为庶人。
霍去病出北地，深入匈奴之境，而公孙敖与其道路相失。霍去病孤军深入，越居延水，历小月氏，至祁连山。俘匈奴酋涂王，降敌二千五百，斩首三万零两百，共俘匈奴五王，及五王母，单于阏氏、王子五十九人，俘匈奴相国、将军、当户、都尉六十三人。汉军亦十亡其七，霍去病有功，益封五千户。随霍去病至小月氏的校尉皆赐左庶长爵位，鹰击司马赵破奴以一千五百户封从骠侯；校尉句王高不识，以一千一百户封宜冠侯；校尉仆多封煇渠侯。
合骑侯公孙敖因为行军滞留，未能及时与骠骑将军会师，按军法当斩，赎为庶人。因为汉武帝器重霍去病，所以军中各位宿将部下的装备都不如霍去病所部，霍去病率领的都是专门挑选出来的精兵。霍去病作战敢于深入敌境，常率精骑出大军之先，然亦有天幸，未曾遇到绝境。军中其他将领却常因为行军迟缓，或战机不利而未得战功。霍去病日益显贵，与大将军卫青不相上下。
当年秋，匈奴单于因部下浑邪王屡败于汉军，伤亡数万而大怒，想诛杀浑邪王。浑邪王闻讯后，与休屠王谋划降汉，先派人到边境通报汉军。在黄河岸边率军筑城的汉大行李息，见到浑邪王使者后，立即驰传向朝廷报告。武帝担心浑邪王可能诈降而偷袭边境，于是就命霍去病率军往迎浑邪王和休屠王。
霍去病大军渡过黄河后，浑邪王的部下望见汉军，其裨将多不愿降顺，有很多人逃遁而去。霍去病与浑邪王相见后，杀其部下欲逃者八千人，而独遣浑邪王乘传至行在所。随后霍去病率浑邪王全军渡河，匈奴降者凡四万，号称十万。匈奴降王至长安后，武帝赏赐钱数十万，以一万户封浑邪王为漯阴侯，又封其以下小王四人为侯。
汉武帝表彰霍去病的军功说，骠骑将军霍去病攻匈奴西域浑邪王，降匈奴之王三十二人。匈奴军队十万来归，而汉军无伤亡，河塞地区边患消除，永保安宁，因此朝廷益封霍去病一千七百户，并减陇西、北地、上郡戍卒之半，以使天下百姓稍微减轻徭役负担。不久，朝廷把归降的匈奴人迁徙到边境五郡故塞之外河套以南的地区，仍其旧俗，为汉属国。第二年，匈奴侵入右北平、定襄，杀掠汉边民一千多人。
元狩四年，汉武帝与将军们商议说，翕侯赵信替匈奴单于出谋划策，以为汉军无法越过沙漠。如果现在汉军出击漠北，一定能彻底击败匈奴。这年春天，武帝命大将军卫青、骠骑将军霍去病各率骑兵五万，步兵和转运物资的士卒数十万跟随其后，将敢于力战深入的士卒都划拨给霍去病。
大军出发时，本来计划霍去病部出定襄，直击单于。后来捕获的匈奴俘虏说单于在东面，于是就改令霍去病部出代郡，而命大将军卫青出定襄。郎中令李广为前将军，太仆公孙贺为左将军，主爵赵食其为右将军，平阳侯曹襄为后将军，皆隶属大将军。大军越过沙漠，人马凡五万骑，与霍去病等军共同进攻匈奴单于。
赵信向单于献策说，汉军越过沙漠必然人困马乏，匈奴以逸待劳，可以坐收汉军俘虏了。于是匈奴把辎重远远地北撤，而把精兵布置在大漠以北等待汉军。卫青所部出塞千余里，与单于军遭遇，汉军将战车环成营垒，以骑兵五千驰击匈奴，匈奴亦派骑兵万余迎战。时值日暮，狂风大起，对面不见人，汉军命左右两翼包抄，单于见形势不利，于是突围而走。
两军混战，杀伤相当。汉军左校尉擒获的匈奴俘虏说单于已经逃走，于是汉军派轻骑连夜追击，卫青大军紧随其后，匈奴士卒则四散逃走。天快亮时，汉军已追出二百余里，虽然没有追到单于，但俘斩敌军一万多人，直追到窴颜山赵信城，缴获了匈奴积贮的粮草，正好供大军食用。汉军留驻一日后，将城中剩余的粮食全部烧毁后班师。