河南地的收复和漠南之战后右贤王的远逃，有利于汉军在漠南寻找单于带领的匈奴主力进行决战。参战的汉军可以就近得到长城沿边守备部队的支援，后勤补给也容易解决，并且汉军屡胜之后，士气正盛。而且，经此一役，匈奴当然也不会善罢甘休，同年秋，匈奴以一万人马入关，杀死代郡都尉朱英，掳千余人而去。第二年卫青率六将军十多万骑兵，两次出定襄（今内蒙和林格尔西北）数百里，进击单于主力。在一些小规模的战斗中，汉军共歼敌一万九千多人，自己也损失赵信及苏建两员大将，还有三千多人马。也是在这一年，卫青的外甥剽姚校尉霍去病受封为冠军侯。
匈奴在失去河南地后，把主力撤到漠北，一边休整一边伺机而动，引诱汉军到漠北决战。但是汉军没有立即进袭漠北，而是发动了攻取河西走廊的河西之战。战争的主动权仍然牢牢地掌握在汉军手中。
匈奴伊稚斜政权当时试图用武力击退汉军，夺回河南地河西牧场，守住漠南地区，终因人员数量以及经济基础都不如中原强盛而失败。加之战线过长、互不救援、麻痹大意等，在汉军无休止的攻击下反而连遭重创，损失惨重。从战略上看，不但丢失的牧场没能收回，漠南各地也没能保住，只能被迫退守漠北。
西汉方面虽然获得了军事上的重大胜利，却也被迫背负起更加沉重的经济负担，战争胜利之后对军士将领的赏赐及出战时的军费开支，造成了西汉府库储蓄耗尽、赋税来源枯竭、社会经济遭到严重破坏的局面。
匈奴单于伊稚斜在汉将赵信归降以后，把他封为自次王，意思是除了单于就属他最大，还把他的姐姐嫁给赵信，表现出充分的重视，希望与赵信一起谋夺汉朝江山。赵信给单于建议：将主力移往漠北，以诱疲汉兵，然后匈奴以逸待劳，伺机反攻，单于听从了他的计划。伊稚斜单于不但放弃了收复河南河西各地已失牧场的计划，甚至放弃了在漠南地区与西汉军队征战抗衡的打算，被迫退往自然条件及经济状况都十分恶劣的漠北地区，以避免再遭汉军进攻。于是随着匈奴主力聚往漠北，汉军也闭关休养，或者说在忙于镇压淮南王刘安、衡山王刘赐的谋反事件。同时在做更大规模攻打匈奴的各项准备。
虽然伊稚斜单于已经退居漠北，但从战略上讲，当时他并没有对河西各地的匈奴各集团做出相应的调整。由于单于安排部署失当，遂使河西地区的匈奴各牧猎集团，很容易受到骁勇善战、攻击力强大的中原军队的攻击。经过两三年休整恢复的汉朝军队，也看准并且抓住了匈奴暴露出来的这个战略破绽，发起了更大规模的对匈战争。
3.河西之战。公元前121年春，汉武帝命令霍去病带领万余人，从西出发。越过焉支山一千多里，去攻略匈奴。霍去病奉命率军深入匈奴五王牧地，激战六个日夜，杀死折兰王、卢胡王等，抓住浑邪王子及相国、都尉等匈奴重臣，斩杀匈奴八千余人，劫获休屠王祭天金人。
同年夏，霍去病奉命与公孙敖率领数万人马从陇西、北地出发，攻击匈奴。汉武帝刘彻同时又派遣博望侯张骞、郎中令李广率领另一支汉军从右北平出击，攻打匈奴左贤王。不仅从此又发起了对左地匈奴的攻击，而且以此牵制匈奴左翼力量，使其不能策应援救右翼。汉军主力霍去病所部遂得以再次长驱直入，全力攻击匈奴右翼。但当时汉军将领合骑侯公孙敖却以与霍去病路线不同为借口，不敢深入，停滞不前。霍去病仅率其所部汉军，越过居延水、过小月氏、攻打祁连山，俘获酋涂王。收降匈奴二千五百人，斩首三万二百级，俘获五王、五王母、王子等五十九人，相国、将军、当户、都尉六十三人。霍去病部将鹰击司马赵破奴，斩杀濮王，抓住稽且王，并俘获王、王母各一人，王子以下四十一人，俘虏三千三百三十人，前行捕虏一千四百人。从骠骑将军捕呼于屠王王子以下十一人，俘虏一千七百六十八人。
汉军攻略匈奴右翼，不仅给河西地区的匈奴造成了非常严重的人口财产损失，且又夺占了焉支山、祁连山等水草条件都良好的原属匈奴人的牧猎场地。当时匈奴也曾南下攻入汉境，入代郡、雁门，杀死数百人。虽有报复汉军的无限制攻掠的意图，却收效甚微。他们的杀掠所得，仅有数百人，而损失的，则是几万人。
从右北平出塞攻略匈奴左贤王的汉军将领张骞和李广，互相之间的行军路线也是不同的。郎中令李广率领四千骑兵先到达预定地点，博望侯张骞率领一万骑兵后到。匈奴左贤王率领数万骑兵，包围了郎中令李广的部队，血战两天，双方都是死伤过半。博望侯张骞到达之后，匈奴才逃走。
公元前121年自春至夏，河西匈奴各牧猎集团均遭到霍去病骑兵的攻击，各个集团（兀鲁思）所属部众，其人口、牲畜以及各类财产损失都非常巨大。更严重的是他们还丢掉了焉支山、祁连山、河西草原等大片的优良牧场。各集团（兀鲁思）之王，不仅没有抵御住汉军的攻略，反而大都或战败，或遭捕捉或被斩杀，所存无几。
此时匈奴内部也是矛盾重重，伊稚斜单于对于当时仍然健在的浑邪王、休屠王等人非常不满，指责他们给匈奴造成了伤亡数万人的惨重损失。公元前121年秋天，伊稚斜单于想要把浑邪王召到王庭来杀掉。浑邪王知道以后，与休屠王等共同谋划应对之策，为了不被斩杀，他们想要投降汉朝，于是先派人到汉朝边境探听虚实。汉朝将领得到这个消息以后，令手下快马加鞭地将这个消息报告给皇帝知道。汉武帝知道以后，还以为他们是诈降，就派霍去病率领大军前往。这么大的阵仗把浑邪王给吓倒了，又后悔不想投降了，带着自己的部下就往回跑。霍去病带人紧追不舍，追上浑邪王后，杀掉想逃跑的八千余匈奴人，把浑邪王和他剩下的军队都带回了汉朝，受降者号称十万。到达长安以后，汉武帝给予了他们丰厚的赏赐。
从表面上看，这场战争似乎对中原人民有些好处：自从浑邪王归附以后，陇西、北地、河西就很少再受到匈奴的攻击了。但实际上这些战事不仅使匈奴遭受到了巨大而惨重的损失，中原人民也因此而被迫支付数额更加巨大的战争费用。河西战役获胜，西汉朝廷不但夺占了原匈奴河南地区，包括秦代蒙恬修筑四十四县城的地区，还设置了朔方郡。
从公元前126年至公元前121年，汉匈战争主要发生在漠南以及河西地区，故称之为“漠南河西战役”。
漠南河西战役以后，西汉朝廷又在原匈奴牧猎地区陆续设置了酒泉、武威、张掖、敦煌四郡。此外，汉军还有一个重大收获，即为日后与匈奴政权争夺西域打下基础。河西走廊位于黄河以西，祁连山北侧，是沟通关中与西域联系的交通要道。为了确保长安西侧陇西等地的安全，切断匈奴与羌族的联系，联络西域各国共同讨伐匈奴，发动河西之战，攻取河西走廊是必要的。河西走廊的匈奴被肃清，汉军发动河西之战的目的已经达到。
（五）漠北决战
河西之战的胜利，使西汉彻底解除了后顾之忧，得以全力与匈奴单于进行主力决战。匈奴单于伊稚斜早在河西之战前，就已经接受了汉朝降将赵信的建议，把主力集结在大漠以北等待时机，准备迎击远道而来饥疲不堪的汉军。可是汉军并没有来漠北决战，而是在东、西两线发起了河西之战和对漠南左贤王的进攻。于是伊稚斜做出了错误判断，以为汉兵不能再到漠北来，从而放松了警惕。
公元前119年春，汉武帝决定出敌不意发起漠北之战。武帝令大将军卫青与骠骑将军霍去病各率五万骑兵，分两路向漠北出击，接连的军事胜利，使武帝的头脑开始发热，分兵两路去攻击两个方向的敌人，不符合集中优势兵力攻击主要方向的作战原则。当时匈奴还有单于和左贤王两支军队，它们都没有受到过重大打击，具有较强的战斗力。更重要的是敌情不明，连单于军在哪里也没有弄清楚，就贸然分兵，发起进攻。直到双方接战时，才发现担任主攻任务的由汉军精锐主力编成的霍去病军的作战对象不是单于，而是左贤王。实力较弱的卫青军，却面对着匈奴单于的主力军。如果不是卫青沉着勇敢、指挥得当的话，汉军完全有可能面临灾难性的后果。
当卫青率军越过沙漠来到漠北时，匈奴单于早已作好迎击准备了。卫青在敌情突然变化的情况下，沉着冷静，让部队组织好防御，站稳脚跟。然后派五千骑兵冲击敌阵，这既是主动攻击，又是在试探对方的兵力如何。匈奴以万余骑兵迎战，双方激战一天。傍晚时起了大风，飞沙走石，两军对面不相见，虚实难料。卫青大胆果断地利用风沙的掩护，乘机发骑兵从两翼包围了匈奴军。单于见汉军兵多且勇敢善战，自料难胜，就在夜色与风沙的掩护下，率数百骑兵突围向西北而去。汉军发现后，立即派兵连夜追击，卫青率大军随后跟进。匈奴军在混战中溃散。
这次战斗汉军共歼敌一万九千人，但因是双方混战，汉军伤亡也很重。匈奴主力并未被歼灭，只是因单于逃走，失去指挥而溃散。卫青指挥的二等部队，千里趋敌，能将以逸待劳“兵阵而待”的单于主力击溃，也确实不容易。
另一路作为主要打击力量的霍去病军，没有遇到匈奴主力部队，只是碰到左贤王的军队，俘虏并斩杀敌军共七万余人，成功地歼灭了左贤王的主力。左贤王逃跑，霍去病军追至狼居胥山（即今蒙古乌兰巴托东肯特山）而还。
这次漠北决战，汉军还动员了数十万步兵保障后勤补给。汉军漠北决战的胜利，确实来之不易。这次决战杀死匈奴八九万人，汉兵也折损了数万人，且损失战马十余万匹。