公元前119年，为了彻底消灭匈奴主力，汉武帝发起了规模空前的"漠北大战"。这场战役完全可以算是霍去病的得意之作。在深入漠北寻找匈奴主力的过程中，霍去病率部奔袭2000多里，以一万五千人的损失，歼敌七万多人，俘虏匈奴王爷3人，以及将军、相国、当户都尉83人。不但如此，霍去病一路追杀匈奴，来到了今蒙古国的肯特山一带。
在这里，霍去病率大军祭天封礼于狼居胥山，祭地禅礼于姑衍山。接着，他继续率军深入追击匈奴，一直打到翰海（今俄罗斯贝加尔湖）才回兵。从长安出征，一直打到贝加尔湖，这简直令人不可思议，但霍去病做到了。而这一年的霍去病，年仅22岁。
元狩四年（公元前119年）春，汉武帝命卫青、霍去病（时年22岁）各率骑兵5万，"步兵转折踵军数十万"分别出定襄和代郡，深入漠北，寻歼匈奴主力。霍去病率军北进两千多里，越过离侯山，渡过弓闾河，与匈奴左贤王部接战，歼敌70400人，俘虏匈奴屯头王、韩王等3人及将军、相国、当户、都尉等83人，乘胜追杀之狼居胥山（今蒙古境内），在狼居胥山（今蒙古肯特山）举行了祭天封礼，在姑衍山（今蒙古肯特山以北）举行了祭地禅礼，兵锋一直逼至瀚海（沙漠别称或曰即今俄罗斯贝加尔湖）。经此一战，匈奴被汉军在漠南荡涤，匈奴单于逃到漠北，"匈奴远遁，而漠南无王庭"。他和卫青发起的对匈奴的进攻性战争，改变了汉朝长此在对匈奴战争中的守势状态，一举打败匈奴。从而长久地保障了西汉北方长城一带，也就是在漠南地区的边境安全，此战为汉朝进击匈奴最远的一次。
元狩六年（公元前117年），霍去病上疏请武帝封皇子刘闳、刘旦、刘胥三人为诸侯王，诸侯王必须"就国"（即去封地居住而不能留在长安）。大司马臣霍去病冒死再拜上疏汉武帝："承蒙陛下错爱，使我霍去病能在军中供职。本应专心思考边防事务，即使战死荒野也无法报答陛下，居然敢考虑他事来打扰陛下。我这样做，实在是因为看到陛下为天下事忧劳，因哀怜百姓忘了自己，减少了食膳音乐，裁减了郎员。
