出塞时，卫青令霍去病为嫖姚校尉，选募八百壮士，归他带领一同前进。
既至塞外，恰与匈奴兵相遇，汉军迎头痛击，斩首约数千级，匈奴兵战败遁去，卫青也就回驻定襄，休养士马，再行决战。
一个月后，卫青又再次出塞，直入匈奴边境一百余里，攻破匈奴好几处营垒，斩获甚多。将士们也都杀得高兴，于是分道再进。霍去病少年好胜，自领八百壮士独成一队，独走一方。其他将领也各率所部，联镳继进，寻斩胡虏。卫青在后驻扎，专等各路胜负，再定行止。已而，各将回营，或献上数百颗胡兵首级，或捕到数十个匈奴士兵，也有的不见一敌，未便深入。只有赵信、苏建两将军，还有外甥霍去病，不见踪影。卫青很是着急，赶忙派将领分头前去寻找。过了一天一夜，仍然没有霍去病等人的任何消息，卫青急得惶惶不安。
正忧虑间，只见一将踉跄而入，长跪在大帐前，泣涕请罪。卫青抬头一看，原来是右将军苏建，便开口问道：“将军为何如此狼狈？”经苏建细细述来，原来他与赵信被匈奴团团围困，杀死胡兵多人，部下也伤亡过半。那赵信原是胡人，竟带着八九百人，又投降匈奴去了。他单骑突围，亏得卫青派人接应，才得回来请罪。卫青与军正、长史、议郎商量处置办法，有的主张处斩以正军威，有的认为苏建以寡敌众，拼死归来，如果处斩，将使后来将士偶然战败，只可弃甲降敌，不敢再还了。卫青便将苏建置入槛车，遣人押送回京，请武帝处治。
霍去病最后才到。只见他提着一颗血淋淋的人头，入营报功，说明这是单于大父行籍若侯产的人头。部兵又绑进两人，一个是匈奴相国当户，一个是单于季父罗姑。这两个匈奴头目，由霍去病活捉了来，此外还斩首馘耳了两千余人。原来，霍去病带领八百壮士向北深入，直走了数百余里，才发现了匈奴的营帐，当即掩杀过去。匈奴兵没有想到汉军突然降临，顿时溃乱。霍去病手刃渠魁一人，活捉头目两个，一力踏破敌营。卫青大喜，认为得足偿失，便引兵还朝。
这次北征，虽然斩首万级，却也覆没两军。武帝认为功过相抵，不应封赏，仅赐予卫青千金。唯霍去病战绩过人，授封为冠军侯。校尉张骞此前出使西域，开辟丝绸之路，熟悉匈奴地形，这次出征时知水草所在，使大军不致饥渴，也授封博望侯。张骞又请缨西行，武帝使其持节赴蜀，却为昆明夷族作梗，无法疏通。武帝大怒，特于上林苑中凿通昆明池，使士卒置筏水中，练习水战，准备西讨。此前，先解决匈奴问题。
元狩二年（前121）春日，擢升霍去病为骠骑将军，带领万骑，由陇西出击，迭攻匈奴守寨。转战六日，越过焉支山，深入千余里，杀折兰王，枭卢侯王，活捉浑邪王子及相国都尉，夺取休屠王祭天金人，斩获虏首八千九百余级。奏凯还京，武帝加封霍去病食邑二千户。
数月后，正当这年夏季，霍去病又与合骑侯公孙敖率兵数万，再出北地。博望侯张骞与郎中令李广，出右北平。李广率领四千骑兵为前驱，张骞率领一万骑兵继进。匈奴左贤王探知汉兵入境，亟引铁骑四万前来抵御，恰与李广相遇。李广以四千抵挡四万，遂被团团包围。李广神色自如，自用大黄弓专射敌将，接连射死数人。胡儿素知李广善射，都畏缩不前，唯四面守住圈子，用强弓硬射。李广令手下士兵返射，毙敌数千，汉军也伤亡过半。幸亏张骞率领大军前来救援，击退敌兵，救出李广，收兵南回。《史记》卷一百九《李将军列传》，此下所述李广事，并见此传。
霍去病与公孙敖驰出塞外，中途相失。霍去病自引部曲疾进，渡居延泽，过小月氏，至祁连山，一路顺风，势如破竹，斩首三万级，虏获尤多。凯旋之日，武帝因霍去病三次大捷，功无与比，又加封五千户，连其部下偏将如赵破奴等，也得侯封。匈奴人从此对霍去病相戒生威，不敢撄锋。当霍去病踏破焉支、祁连两山时，匈奴人为之作歌，慨叹道：
亡我祁连山，使我六畜不蕃息！
失我焉支山，使我妇女无颜色！
这首歌谣传到内地，霍去病的声威益盛。
武帝曾令霍去病学习孙吴兵法，他却说道：“为将须随时运谋，何必一定要拘泥古法呢？”武帝又准备为他在长安城中建造一座住宅，他又辞谢道：“匈奴未灭，何以家为！”武帝更加宠爱霍去病，将他与大将军卫青相提并论。
霍去病的父亲霍仲孺，以前在平阳侯家为吏，得以私通卫少儿。少儿别嫁陈掌，仲孺只好回到平阳原籍。霍去病开始不知道父亲的名字，入朝为官后才知道了一切。这次北伐回军，道出河东，得知父亲尚在，就派吏人往迎，父子方得相聚。他为父亲购置田宅，招买奴婢，好让父亲安享晚年。仲孺已经另外娶妇，生子霍光，已经长大，颇有才慧。去病视若亲弟，带他入朝，补充郎官。
大将军卫青，见外甥立功致贵，与自己相似，当然非常欣慰。
卫青、霍去病屡次率兵北伐，匈奴浑邪、休屠两王首当其冲，连战连败，浑邪王又失爱子。匈奴伊稚斜单于责他连年挫失，有损国威，便派使征召，欲加诛戮。浑邪王忧怒交加，就约同休屠王，准备入塞请降，托大行李息奏报。武帝命霍去病率兵往迎，浑邪王往邀休屠王一同入塞。谁知休屠王中途变悔，浑邪王怒不可遏，引兵袭击，杀死休屠王，掳其部众妻子，牵迎汉军，两军隔河相望。霍去病麾军渡河，先遣浑邪王乘驿赴都，自率四万降众南归。武帝使降众析居陇西、北地上郡、朔方、云中五郡，号为五属国。又将浑邪王旧地，改置武威、酒泉二郡。从此，金城、河西，通出南山，直至盐泽，已无胡人踪迹。霍去病又得叙功，加封食邑一千七百户。
元狩四年（前119）春月，武帝因赋税所入，足敷兵饷，又遣大将军卫青、骠骑将军霍去病，各率骑兵五万，步兵数十万，公私马匹十四万头，出击匈奴，志在平虏。郎中令李广，自请效力。武帝嫌他年老，不愿使行。经李广一再固请，才使他为前将军，令与左将军公孙贺、右将军赵食其、后将军曹襄，尽归大将军卫青节制。卫青入朝辞行，武帝叮嘱他道：“李广年老，数奇，不要让他独当单于。”卫青领命而去，引着大军从定襄出发，沿途捉得胡人，探知单于现居东方，使人报知武帝。武帝诏令霍去病独出代郡，自当一面。霍去病就与卫青分军，引着校尉李敢等，麾兵自去。
卫青一路连日进兵，探知单于移居漠北，便欲麾军深入。他想起临行时武帝的密嘱，就命李广与赵食其合兵东行，自己率兵直捣单于大营，结果两军互有死伤，单于乘机走脱，卫青仅夺得赵信城中的积谷，接济军食。待回军至漠南时，才见李广、赵食其到来，原来两人迂回迷路。卫青斥责他们逾期迟至，应该论罪。李广想到自己一生与匈奴七十余战，未得封侯，今为前将军，得与单于交锋，却被调东行迷路，也就认命了，六十余岁，不愿再对刀笔吏，遂拔出佩刀自刎。一军将士，都为之垂涕。
霍去病一路出塞二千余里，与匈奴左贤王相遇，交战数次，迭获大胜，活捉了匈奴屯头王、韩王等三人，将官八十三人，俘获士卒无数。左贤王远遁，单于徙居漠北，自此漠南无王庭。霍去病遂封狼居胥山，禅姑衍山，登临大瀚海，乃班师回朝。武帝又增封霍去病食邑五千八百户，李敢也加封关内侯，食邑二百户。卫青未得益封，唯特置大司马官职，令卫青与霍去病二人兼任。
李广有子三人，长子次子都已病殁，独李敢受封关内侯，袭父爵为郎中令。李广从弟李蔡封乐安侯，迁拜丞相。因坐盗景帝园田，下狱论罪，惶恐自杀。李敢想到父死非罪，常欲报仇。及从叔自杀，越激动一腔怨愤，遂往见大将军卫青，问及乃父死因，两下言语不和，李敢就挥拳向卫青面上打去，卫青连忙闪避，额上已经受了轻伤。卫青左右赶忙抢护，又扯开李敢，李敢愤愤而去。卫青虽然被打，却不动怒，只在家中调养，数日即愈，并不与外人提及。霍去病得悉此事，却暗暗记在心中。
后来，武帝到甘泉宫游猎，霍去病与李敢都奉命随行。众人正在驰逐野兽的时候，霍去病见李敢无备，以射兽为名，射向李敢，不偏不倚，正中要害。有人将此事报知武帝，武帝当然袒护霍去病，只说李敢被鹿撞死。众人也就拔出李敢身上的箭镞，交还家中殓葬了事。
谁想不到一年，元狩六年（前117），正当壮年的霍去病，竟至病死。
武帝非常悲痛，赐谥景桓侯，并赐葬茂陵旁，并特筑高冢为祁连山状，墓前矗立“马踏匈奴”等大型石雕，以张扬其北征匈奴的赫赫战功。霍去病之子霍嬗为武帝所爱，使袭父封，任官奉车都尉。霍嬗后来随武帝禅泰山，在半路上病殁，因无嗣而绝侯封。一代名将，父子俱当壮年逝世，可惜可叹！
元封五年（前106），大将军卫青病亡，谥曰烈侯。
大浪淘沙，物换星移。这一对甥舅名将在远去了刀光剑影，暗淡了鼓角争鸣之后，又相继退出了历史舞台。
