然而匈奴人的噩梦仍没有结束，汉军胜利班师后没多久，霍去病又卷入重来。而这一次，霍去病带来了更加强大的军队。此战中，霍去病像往常一样甩开自己的辎重部队，以雷霆之势插入河西。精锐的汉朝骑士迂回千里，然后铁壁合龙，揍得匈奴人晕头转向，四散而逃。
此战中，霍去病斩首30200级，单于单桓、酋涂王及相国、都尉以众降下者2500 人，擒获5个匈奴藩王以及其他贵族69人，相国以下官员63人。同时，霍去病一路取食于敌，没有耗费国家任何资源。
由于屡次败给霍去病，驻守在河西当地的浑邪王、休屠王受到了匈奴单于的激烈谴责。两人惧怕单于兴师问罪，于是决定率众投降汉朝。为此，汉武帝将霍去病任命为受降总指挥。正所谓"受降如受敌"，霍去病并没有因为敌人放下武器便放松警惕。
果然到了半路，休屠王就变了卦，结果被浑邪王杀死。在受降仪式上，许多浑邪部落的将领不愿意投降，当他们看到汉军的队伍，纷纷准备勒马而逃。霍去病见浑邪部落阵型松动，心知有变，于是他率兵驰入敌群，斩首8000余级，顺利安定了这些降虏。
经过两次河西之战，汉朝彻底控制了河西走廊，并设立敦煌、酒泉、张掖、武威四郡。正所谓"张汉之腋，以通西域"。汉朝在霍去病的指挥下，顺利斩下匈奴的右臂，并从侧翼威胁匈奴人的侧翼。同时，汉朝攻占河西，让匈奴人失去了这片富饶的财赋之地，因此他们流着血泪哀歌道：
