卢侯王，俘虏浑邪王的儿子及相国、都尉等多人，缴获匈奴休屠王的祭天金人。同年夏天，霍去病再次率军西征，深入匈奴腹地，大败匈奴浑邪王、休屠王部，歼敌三万余人。
匈奴单于得知右地大败，欲诛杀浑邪王、休屠王。浑邪王与休屠王商议后，决定向汉朝投降。刘彻派霍去病率军迎接，在途中，休屠王突然反悔，浑邪王将其斩杀，合并其部众。霍去病率军渡过黄河，与浑邪王的军队相遇，斩杀了八千余名不愿投降的匈奴士兵，最终将浑邪王及其四万余部众带回长安。刘彻封浑邪王为漯阴侯，将其部众安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中五郡，称为“五属国”。此后，汉朝在河西走廊陆续设置酒泉、张掖、武威、敦煌四郡，史称“河西四郡”。这一举措，不仅隔绝了羌人与匈奴的往来，防止了两者联合反汉，还控制了前往西域的交通要道，为汉朝开拓西域创造了条件。
元狩四年（前119年），刘彻决定对匈奴发动决定性的打击，派遣卫青、霍去病各率五万骑兵，分东西两路深入漠北，发动“度幕”作战。卫青率领西路军从定襄出发，深入漠北千余里，与匈奴单于率领的主力相遇。卫青命令军队以武刚车环绕为营，然后派出五千骑兵冲击匈奴阵营，双方激战至黄昏，突然刮起大风，沙砾漫天，卫青趁机指挥大军从左右两翼包抄匈奴，大败匈奴军，斩杀匈奴一万九千余人。匈奴单于率领数百名亲信突围逃跑，卫青率军追击至赵信城，烧毁匈奴的粮草物资后返回。
霍去病率领东路军从代郡出发，深入漠北两千余里，与匈奴左贤王部相遇。霍去病率军奋勇作战，大败左贤王，斩杀匈奴七万余人，俘虏左贤王的裨王、将军等八十三人。霍去病乘胜追击，一直打到狼居胥山，在此举行了祭天封礼，又在姑衍山举行了祭地禅礼，这便是历史上著名的“封狼居胥”。此后，霍去病继续率军追击匈奴，直至瀚海（今贝加尔湖）才返回。
漠北之战是汉朝与匈奴之间规模最大、最具决定性的一次战役。经此一战，匈奴主力遭到重创，元气大伤，再也无力大规模南下侵扰汉朝边境，从此“幕南无王庭”，匈奴远遁漠北。汉朝则彻底解除了匈奴对北方边境的威胁，实现了“灭胡”的战略目标。
漠北之战的胜利，使汉朝的疆域得到了极大的拓展，声望也达到了顶峰。但这场胜利也让汉朝付出了沉重的代价。据《史记·卫将军骠骑列传》记载，漠北之战中，汉朝损失了大量的士兵和马匹，“两军之出塞，塞阅官及私马凡十四万匹，而复入塞者不满三万匹”。此外，
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