这次荡平河西，使汉武帝更加看重霍去病，此时他的地位与舅舅卫青不相上下。公元前119年，汉武帝发动了漠北之战，也就是与匈奴的大决战。
汉武帝征调了大量兵士，令卫青、霍去病各领骑兵五万人、步兵十万人及马十四万匹，分道深入漠北，寻歼匈奴主力部队。卫青率西路汉军出定襄，渡过沙漠千余里，与匈奴单于交战。卫青迅速以战车“自环为营”，并指挥五千精锐骑兵向匈奴阵地冲杀，先发制人。匈奴亦派一万骑兵向汉军猛攻。双方激战终日，飞沙走石扑面而来，两军阵容都分不清，仍互相拼杀搏斗。最后，卫青派出两支轻骑兵，分左右两翼迂回包抄单于，单于遂败退，率领数百亲骑突围逃走，汉军则追至窴颜山赵信城。霍去病也率东路汉军出代郡塞外两千余里与匈奴左贤王接战。汉骑兵冲杀勇猛，连续作战，彻底打败了匈奴东部兵，捕俘匈奴酋长八十三人，斩获七万余人。左贤王率残部溃逃，霍去病猛追不舍，直至狼居胥山，在这里，霍去病暂作停顿，率大军进行了祭天地的典礼——此即后来辛弃疾所说之“封狼居胥”也。封狼居胥之后，霍去病继续率军深入追击匈奴，一直打到瀚海（今俄罗斯贝加尔湖），方才回兵。