虽然霍去病没有遇到单于的主力，但是他的战功却远远超过了卫青。他从代国、右北平北上二千余里，轻装横绝大漠，取食于敌，俘虏匈奴的屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉83人，封狼居胥山(今蒙古国肯特山，在山上祭天)、禅姑衍山(今蒙古肯特山之北，在山上祭地)，一直到达了翰海(大沙漠，在今蒙古国境内;一说今俄罗斯境内的贝加尔湖)，斩首7万余级，这是自汉朝建立以来对匈奴取得的空前辉煌的胜利。
这场胜利的代价也是非常高昂的，出塞时两路汉军共有马14万匹，入塞时只剩下了三万匹，霍去病所部也损失了十分之三的人员。汉武帝特地设立了大司马的官职，大将军卫青、骠骑将军霍去病均担任大司马，相当于以前的太尉，并规定骠骑将军的等级、待遇均与大将军相同。从此之后大将军卫青越来越谦退，骠骑将军霍去病越来越显贵，卫青的门客大多去投靠了霍去病寻求官爵，只有司马迁的好友任安不肯这样做。
至此，从元光五年到元狩四年的11年间，汉朝几次发兵主动征讨匈奴，共俘虏、斩首约二十四万人，其中霍去病的战绩就占了近一半;元狩四年的两路北伐，俘虏、斩首匈奴九万余人，匈奴遭受了重大损失，从此匈奴向北方远遁，而不敢在沙漠以南设立单于的王庭(匈奴的统治中心)。此后，汉军越过黄河从朔方郡向西至令居(今甘肃省永登县)构筑防线，开凿灌溉水渠屯田，戍守士兵达五六万人，并向北蚕食了一些匈奴土地。然而因为马匹数量少，同时汉军又在向南征伐闽越、南越，向东征伐朝鲜，向西征伐羌、西南夷，因此很久不再大规模征伐匈奴了，汉与匈奴之间的关系暂时进入了一个相对和缓的时期。
