骠骑将军去病率师，躬将所获荤粥之士，约轻赍，绝大幕，涉获章渠，以诛比车耆，转击左大将，斩获旗鼓，历涉离侯。济弓闾，获屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉八十三人，封狼居胥山，禅於姑衍，登临翰海。
——《史记·卫将军骠骑列传》
在卫青率兵北上攻打单于庭的同时，霍去病率领的东路大军亦从代郡出塞，兵锋直指匈奴左贤王部。
从兵力来说，卫青和霍去病两路皆是以五万骑兵为主，两万余步兵为辅，大军后方则是以大量步卒和役夫组成的运输补给部队。不过，从军队构成和人员配置来讲，两军则有着明显的区别。
西路军以大将军卫青为主帅，另以前将军李广、左将军公孙贺、右将军赵食其和后将军曹襄为副将，四位副将虽然隶属于大将军卫青指挥，但却独自统兵，拥有一定的自主权。东路军则不同，虽然同样以骠骑将军霍去病为主帅，但却不设副将，只以校尉李敢、徐自为等人代替副将职能，由于职位上的天然差距，李敢、徐自为等人虽然也独自领兵，但却唯霍去病之命是从，如此便可使霍去病对整支军队如臂使指，像李广那样公然与卫青争辩的情形，在东路军中是不会出现的。
此外，与卫青所统率的汉军骑兵不同，霍去病麾下的骑兵中，则有不少都是内附和归降的匈奴人，不仅士兵如此，将领同样如此，除了右北平太守路博德、渔阳太守解、北地都尉邢山、校尉徐自为、校尉李敢等人之外，跟随霍去病出征的煇渠候仆朋、昌武侯赵安稽、因淳王复陆支、楼专王伊即轩全都是内附的匈奴裨王，就连多次跟随霍去病征战的宜冠侯高不识也是归附的匈奴王，而骠侯赵破奴也曾在幼时流浪于匈奴地区。
正因为这些不同，霍去病选择了与卫青的截然不同的战术，他延续了自己长途奔袭、攻敌不备的战术，出塞之后便直接将步兵和辎重部队留在了长城附近，自己则率领五万骑兵携带少量补给，迅速越过浑善达克沙地北上。
汉军如此大的动作，左贤王自然也早已有所察觉，他立即召集各部部众南下迎战。左贤王的想法与伊稚斜单于差不多，意图趁着汉军越过沙漠之后的疲惫期，一举击溃汉军，取得胜利。
然而，由于霍去病所率尽为骑兵，行军速度远远超出了左贤王的想象，不仅在沙漠之中耽搁的时间较少，而且还争取到了不少的休整机会。结果，等到左贤王率兵南下之时，霍去病已经率兵在锡林郭勒草原完成了休整，正在侦骑四处寻找匈奴主力所在，哪有半分疲惫之感，反倒是左贤王部经过一段跋涉，兵马略显疲惫。
霍去病得知左贤王率兵南下，立即引军北上对左贤王率领的匈奴主力发动了攻击，根本不给对方休整布阵的机会。等霍去病杀到之时，左贤王率领的大军还保持着行军队形，根本没做好迎战的准备。
左贤王得到汉军杀来的消息之后，连忙命命令大军加速前进，同时令前部匈奴军队上前迎战，为大军的集结争取时间。
霍去病见匈奴军队竟然还敢主动上前迎战，立即命令大军一分为二，自左右两翼猛冲而上，切断了匈奴前军与后军的联系。霍去病的目的很简单，就是要趁着匈奴主力尚未完成集结，先行打垮这支数量并不算少的匈奴前锋部队。
凭借着兵力的绝对优势，汉军很快便击败了匈奴的先头部队，而此时的匈奴主力才勉强完成集结，霍去病不给对方整军备战的机会，只派出少量军队追杀已经溃散的匈奴前军，自己则亲率主力扑向了匈奴主力，随之与左贤王的大军厮杀在了一起。
虽然汉军刚刚经历了一场厮杀，然而首战告捷的汉军此时士气正旺，攻击异常迅猛。而面对汉军的凶猛进攻，勉强完成集结的匈奴军队不仅乱糟糟的挤成一团，刚刚经历了一番急行军的士兵和马匹，更是疲惫不堪，只能在各部贵族的催促下仓促迎战。
此消彼长之下，匈奴军队如何是汉军的对手，仅一个照面便被汉军突破了防线。左贤王见势不妙，心知继续打下去也难以扭转败局，遂率领本部兵马向北逃窜，其他各部匈奴军队见状，亦纷纷四散而逃。
此战，霍去病不仅斩杀了包括北车耆王在内的匈奴将士近两万，活捉了单于大臣章渠，更是缴获了匈奴军队大量粮草补给，这对于粮草已经基本告罄汉军来说，无疑是个极大的补充。
按照原本的战略部署，汉朝方面因为匈奴降卒错误的消息，以为伊稚斜单于已经率部东移，因此霍去病担任的乃是主攻任务，面对伊稚斜单于和左贤王率领的两部匈奴主力，即便不能将其击败，也必须将两部主力牢牢牵制住，而卫青则是负责捣毁匈奴单于庭，切断伊稚斜单于的退路，再与霍去病夹攻消灭伊稚斜单于和左贤王部，彻底化解匈奴威胁。
然而，经过激战之后，霍去病从匈奴降卒口中，却得知了伊稚斜单于并未在匈奴左地的消息，至于是否在单于庭，谁也不知道。经过一番思考后，霍去病认为与其改变行军路线，去寻找不知道在何处的伊稚斜单于，倒不如趁机彻底摧毁左贤王部，砍掉伊稚斜单于的左臂。如此，即便此战无法击溃伊稚斜单于，失去了左贤王和右贤王两部之后，也难以再对汉军构成威胁。
于是，对于逃走的匈奴部众，霍去病并未率兵深追，而是指挥军队迅速打扫战场，完成粮草补给，短暂休整之后，他便继续率军北上，扑向了近在咫尺的匈奴左大将部。
左大将部是匈奴左地之中，仅次于左贤王部和左谷蠡王部的大部落，同时也是左贤王庭南部的重要屏障。
不过，左大将部虽然实力不弱，奈何其主力却在此前的战斗中已被击溃，此时部落之中除了少量的留守军队之外，大多都是一些老弱妇孺，这些人又如何是汉朝主力大军的对手。面对霍去病率领的汉军主力，左大将部并未有多少抵抗便被汉军一战而下，部众四散而逃，汉军缴获包括战旗军鼓在内的大量物资。
在左大将部被消灭后，匈奴左贤王王庭便暴露在了霍去病的眼皮子底下。于是，在左大将部稍事休整之后，在补充了充足的粮食和战马之后，霍去病继续率军北上，越过难侯山，渡过弓卢水，直扑呼伦湖一带的左贤王庭。
此时的左贤王也不过刚刚收拢残部返回王庭，心知汉军迟早会尾随而至的他，返回王庭之后便立即命人率领王庭及附近所有部落北迁避战，同时召集所有能战之兵，先后汇集五万余众，决定在王庭与汉军决一死战。
在辽阔的呼伦贝尔草原上，汉匈双方摆开阵势，随着双方主帅的一声令下，一场十万骑兵的鏖战就此展开，一时间马蹄翻飞、喊杀震天，随着羽箭长矛在空中飞舞，不断有骑士自马上坠落，残肢断臂、血肉横飞。经过一日鏖战，原本一片祥和的草原上，到处都是倒毙的战马和战死的士兵，更有垂死的士兵倒卧其中不断发出哀嚎，简直犹如炼狱一般。
虽然汉匈双方兵力相当，左贤王亦早有准备，然而由于汉军一路而来挟大胜之威，再加上武器装备方面的优势，因而在交战中牢牢占据着绝对的上风。反观左贤王，他麾下虽然也有五万之众，然而这些军队毕竟是仓促征集而来，又如何与汉军作战。
纵使左贤王率部拼死抵抗，经过一日鏖战之后，还是难免战败而逃的命运，率领残部一路向东逃往单于庭。
此战，霍去病以不足一万人的代价，斩敌四万余，并俘虏了屯头王、韩王等三人和将军、相国、当户、都尉等八十三人。
战后，为了彻底击杀左贤王，霍去病命令轻伤的骑兵护送重伤士兵和俘获的人员物资先行南返，自己则率领剩余骑兵，一路追杀左贤王残部，直奔单于庭而去。
等到左贤王、霍去病一前一后奔至单于庭，才得知原来伊稚斜单于已经兵败而逃，至今下落不明，大将军卫青也已经率兵南返。至于单于庭的民众财物，更是早就按照伊稚斜单于的命令北迁，此时的单于庭已经空无一人、空无一物。
于是，在霍去病一路追杀下的左贤王，只好率领残兵继续向北而逃，霍去病一路率兵追击，直抵北海（今贝加尔湖）。在霍去病的追杀下，左贤王在付出了大量伤亡代价后，这才摆脱了霍去病的追击，而此时他的身边，只剩下了数百残兵败将。霍去病虽然对放跑左贤王心有不甘，但也不敢再匈奴腹地逗留太久，在派兵搜索一番，始终没有找到左贤王下落后，便也只能率部回返。
南返途中，霍去病率部经过狼居胥山（今肯特山）时，突然来了兴致，遂率众登上狼居胥山举行祭天封礼，之后又在狼居胥山的北部余脉姑衍山举行了祭地禅礼，以此宣扬汉军的战功，祭奠阵亡的将士。
此次远征，霍去病率部转战两千余里，以损失一万多人的代价，前后共斩匈奴部众七万余众，左贤王部经过此战彻底被打残。
汉武帝对于霍去病的战果极为满意，下诏加封霍去病五千八百户，其部下将领亦多有封赏，其中右北平太守路博德因斩敌捕虏二千八百人获封邳离侯；北地都尉卫山因活捉匈奴王获封义阳侯；渔阳太守解、校尉李敢皆因缴获敌人旗鼓获封关内侯，食邑两百户；因淳王复陆支因功获封杜侯；楼专王伊即轩因功获封众利侯；从票侯赵破奴、昌武侯赵安稽则各自因功加封食邑三百户；校尉徐自为亦被赐爵左庶长。
至于卫青一路，虽然也斩敌近两万，但由于己方损失相当，再加上走脱了伊稚斜单于，以及李广因罪自尽，因此不仅主帅卫青没有受到奖赏，就连随军出征的一众将领，也只有西河太守常惠被赐爵关内侯，云中太守遂成受赐食邑两百户、黄金百斤，其余将领则是丝毫奖赏也没有。
凭借着多年来的战功，卫青和霍去病声望日益高涨，汉武帝特为两人加号大司马，以冠将军之号。不过，汉武帝虽设大司马以代太尉之权，但却并无印绶，大司马也只是体现荣宠的加官而已，将领地位的高低，实际还是要通过将军号的地位来体现。
汉武帝虽然为大将军卫青和骠骑将军霍去病皆加号大司马，但明眼人都看得出来，从战前部署到战后封赏，汉武帝明显有打压卫青而抬高霍去病的意思，于是此后卫青权势日衰而霍去病则日益显贵，以致很多卫青的旧友、宾客纷纷转投霍去病。
漠北一战，两路汉军虽然仅仅损失了两万多将士，相较于斩获而言，损失并不算太大，但由于长途奔袭，战马损失却极为惨重，当初有十四万匹公私之马随军出征，结果等到大军凯旋，却只剩下了三万多匹。
当然，相较于汉军的损失，匈奴方面更惨，此战匈奴单于和左贤王损失主力多达九万余人，尤其是左贤王，其主力几乎被全歼。
当初，伊稚斜单于战败而逃之后，一路只顾逃命，结果与部众失散十余日，以致于被误认为战死沙场，右谷蠡王随之自立为单于。直到十几天后，伊稚斜单于得知汉军已经南撤，这才重新复出，与匈奴各部建立联系，右谷蠡王得知消息，又连忙自去单于之号，匈奴王庭的混乱与狼狈状态由此可见。
由于大量主力被歼、大批人口物资丧失，伊稚斜虽然仍居单于之位，但他的影响力和权威却遭到了沉重打击，已经大不如前。更重要的是，随着左、右贤王两只臂膀被彻底斩断，如今只剩下了匈奴单于悬孤漠北。
伊稚斜单于鉴于本部损失惨重，担心日后再次遭到汉朝打击，也不敢继续再在大漠以北立足，不久便下令将单于庭继续向西北方向迁徙，从而形成了“漠南无王庭”的局面。
随着匈奴势力的迅速衰退，匈奴对于西域诸国和乌桓等部落的影响力亦大为减弱，尤其是位于汉朝东北部的乌桓，随着左贤王部的惨败，乌桓被彻底从匈奴的奴役下解放了出来。
自西汉初期，冒顿单于击败东胡，势单力孤的乌桓便就此深受匈奴的奴役，每年都要向匈奴单于进献大量牲畜皮革、牛羊战马等物资，若是有丝毫的违拗，轻者没收其妻子为奴婢，严重时更会遭到武力镇压。
漠北之战后，随着匈奴势力被逐出漠南，乌桓为了摆脱匈奴的奴役，遂选择了臣服于汉朝。汉武帝闻之大喜，将上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东等五郡以北，原本属于匈奴的大片肥沃草原赏赐给了乌桓人，乌桓随之南迁到五郡塞外驻牧，汉朝始置护乌桓校尉，持节监护乌桓各部，防止乌桓与匈奴来往。如此一来，乌桓不仅成为了横在汉朝东北部的一道屏障，使得汉朝边塞日趋安定，日后甚至还曾多次协助汉朝共同攻打匈奴。
至于汉朝，则趁机将抵御匈奴的防线向北延伸到了阴山以北区域，巩固了对河南地和河西之地的统治，同时开始将影响力向西域一带延伸。