五月
将俘获送达陇西郡，交给后方官吏后，骠骑将军所部只休整了半个月，便在霍去病的命令下，悄悄的出关，一路直抵匈奴单于伊稚斜儿子的部落，要不是他儿子跑得快，差点就被生擒。
这次作战，霍去病不再要求俘虏，为的就是要一战将匈奴人的脊梁打断，故而命令部队丢弃所有战利品，只拿上便于携带的干粮，等到回到长安，自己亲自为众将士请赏，要什么就有什么。
当夜就带着部队，疾驰越过焉支山，转战六天，急行军一千多里，最终在皋兰山下，抓到正在行军的折兰王、卢侯王、休屠王所部。
根本没有想到汉军在这里的匈奴军队，直接被汉军冲入阵中，骠骑将军所部仅一个冲锋，就歼灭其精锐部队，直接将其重创，匈奴军兵找不到将，将找不到兵，直接溃败。
最后折兰王被骠骑将军霍去病所斩杀，卢侯王想要跑，则被拔胡将军白炽一箭射下马，死了。另有浑邪王子及相国、都尉等全部被俘，只有休屠王凭借汗血宝马跑了出去。
此役，汉军共斩首八千九百六十级，并俘获了休屠王的祭天金人，而自身只折损数十人。
回到陇西，将战报上报后，汉帝加封冠军侯食邑二千二百户。
夏季
霍去病上书汉帝，说自己想趁着匈奴人没有反应过来，而自身损耗不大，再次出击匈奴，汉帝同意其计划。
随后汉帝以霍去病带着去年的部众再次由陇西出，北地郡太守公孙敖由北地郡出，分两路进发。
之后，公孙敖因为迷路迟到，未能与霍去病会合。
在等了三天，仍然没有等到公孙敖所部后，霍去病决定孤军深入。
一路远涉浚稽山南的湖泽，越过居延海，过小月氏，兵峰攻抵祁连山，休整片刻后，直接冲向没有丝毫准备的匈奴国附属国单桓国，在俘获单桓国王后，又下令继续突进。
进而不断击破匈奴大部落，俘获了酋涂王，等到一系列战斗结束后，霍去病带着士兵和战俘顺利回到了陇西郡。
这一役除了被俘虏的单桓国王和酋涂王外，收降单桓国相国、都尉以下的降者二千五百人，共斩得匈奴军首级三万二百级，生擒匈奴五王，五王母，匈奴单于的阏氏及王子五十九人，相国、将军、当户、都尉等六十三人，但自身也损失十分之四。
汉帝得到捷报后，下令加封霍去病食邑五千四百户，并只要跟随霍去病出征至小月氏的校尉都被封爵为左庶长。
其部下白炽、赵破奴、高不识及仆朋均被封关内侯，闾丘和被封原亭侯，食邑五百户。