同年，他赐给霍光《周公辅成王朝诸侯图》，暗示将赋予他辅政大任。公元前87年，武帝在弥留之际任命霍光为大司马大将军和金日磾、上官桀、桑弘羊共同辅佐年仅8岁的汉昭帝刘弗陵。在昭帝刘弗陵时期，霍光得到昭帝的全面信任，独揽朝政大权。他辅政期间实行休养生息的政策，数次大赦天下，鼓励农业生产。在一定程度上恢复了因长期战争而消耗的国力。同时也缓和了和匈奴的对外关系。公元前74年，汉昭帝刘弗陵驾崩，没有留下皇子。
霍光因此拥立武帝之孙昌邑王刘贺继承帝位。但由于刘贺太过荒淫无度，只当了27天皇帝就被霍光废除了。刘贺被废后，霍光和群臣拥立武帝曾孙刘病已继位。公元前68年，霍光病逝，葬礼上，宣帝和上官太后一同治丧，以皇帝葬仪归葬于茂陵。自此以后，霍光一直得汉朝皇帝尊奉祭祀。
