于是，对于逃走的匈奴部众，霍去病并未率兵深追，而是指挥军队迅速打扫战场，完成粮草补给，短暂休整之后，他便继续率军北上，扑向了近在咫尺的匈奴左大将部。
左大将部是匈奴左地之中，仅次于左贤王部和左谷蠡王部的大部落，同时也是左贤王庭南部的重要屏障。
不过，左大将部虽然实力不弱，奈何其主力却在此前的战斗中已被击溃，此时部落之中除了少量的留守军队之外，大多都是一些老弱妇孺，这些人又如何是汉朝主力大军的对手。面对霍去病率领的汉军主力，左大将部并未有多少抵抗便被汉军一战而下，部众四散而逃，汉军缴获包括战旗军鼓在内的大量物资。
在左大将部被消灭后，匈奴左贤王王庭便暴露在了霍去病的眼皮子底下。于是，在左大将部稍事休整之后，在补充了充足的粮食和战马之后，霍去病继续率军北上，越过难侯山，渡过弓卢水，直扑呼伦湖一带的左贤王庭。
此时的左贤王也不过刚刚收拢残部返回王庭，心知汉军迟早会尾随而至的他，返回王庭之后便立即命人率领王庭及附近所有部落北迁避战，同时召集所有能战之兵，先后汇集五万余众，决定在王庭与汉军决一死战。
在辽阔的呼伦贝尔草原上，汉匈双方摆开阵势，随着双方主帅的一声令下，一场十万骑兵的鏖战就此展开，一时间马蹄翻飞、喊杀震天，随着羽箭长矛在空中飞舞，不断有骑士自马上坠落，残肢断臂、血肉横飞。经过一日鏖战，原本一片祥和的草原上，到处都是倒毙的战马和战死的士兵，更有垂死的士兵倒卧其中不断发出哀嚎，简直犹如炼狱一般。
虽然汉匈双方兵力相当，左贤王亦早有准备，然而由于汉军一路而来挟大胜之威，再加上武器装备方面的优势，因而在交战中牢牢占据着绝对的上风。反观左贤王，他麾下虽然也有五万之众，然而这些军队毕竟是仓促征集而来，又如何与汉军作战。
纵使左贤王率部拼死抵抗，经过一日鏖战之后，还是难免战败而逃的命运，率领残部一路向东逃往单于庭。
此战，霍去病以不足一万人的代价，斩敌四万余，并俘虏了屯头王、韩王等三人和将军、相国、当户、都尉等八十三人。
战后，为了彻底击杀左贤王，霍去病命令轻伤的骑兵护送重伤士兵和俘获的人员物资先行南返，自己则率领剩余骑兵，一路追杀左贤王残部，直奔单于庭而去。
等到左贤王、霍去病一前一后奔至单于庭，才得知原来伊稚斜单于已经兵败而逃，至今下落不明，大将军卫青也已经率兵南返。至于单于庭的民众财物，更是早就按照伊稚斜单于的命令北迁，此时的单于庭已经空无一人、空无一物。
于是，在霍去病一路追杀下的左贤王，只好率领残兵继续向北而逃，霍去病一路率兵追击，直抵北海（今贝加尔湖）。在霍去病的追杀下，左贤王在付出了大量伤亡代价后，这才摆脱了霍去病的追击，而此时他的身边，只剩下了数百残兵败将。霍去病虽然对放跑左贤王心有不甘，但也不敢再匈奴腹地逗留太久，在派兵搜索一番，始终没有找到左贤王下落后，便也只能率部回返。
南返途中，霍去病率部经过狼居胥山（今肯特山）时，突然来了兴致，遂率众登上狼居胥山举行祭天封礼，之后又在狼居胥山的北部余脉姑衍山举行了祭地禅礼，以此宣扬汉军的战功，祭奠阵亡的将士。
此次远征，霍去病率部转战两千余里，以损失一万多人的代价，前后共斩匈奴部众七万余众，左贤王部经过此战彻底被打残。
汉武帝对于霍去病的战果极为满意，下诏加封霍去病五千八百户，其部下将领亦多有封赏，其中右北平太守路博德因斩敌捕虏二千八百人获封邳离侯；北地都尉卫山因活捉匈奴王获封义阳侯；渔阳太守解、校尉李敢皆因缴获敌人旗鼓获封关内侯，食邑两百户；因淳王复陆支因功获封杜侯；楼专王伊即轩因功获封众利侯；从票侯赵破奴、昌武侯赵安稽则各自因功加封食邑三百户；校尉徐自为亦被赐爵左庶长。
至于卫青一路，虽然也斩敌近两万，但由于己方损失相当，再加上走脱了伊稚斜单于，以及李广因罪自尽，因此不仅主帅卫青没有受到奖赏，就连随军出征的一众将领，也只有西河太守常惠被赐爵关内侯，云中太守遂成受赐食邑两百户、黄金百斤，其余将领则是丝毫奖赏也没有。
凭借着多年来的战功，卫青和霍去病声望日益高涨，汉武帝特为两人加号大司马，以冠将军之号。不过，汉武帝虽设大司马以代太尉之权，但却并无印绶，大司马也只是体现荣宠的加官而已，将领地位的高低，实际还是要通过将军号的地位来体现。
汉武帝虽然为大将军卫青和骠骑将军霍去病皆加号大司马，但明眼人都看得出来，从战前部署到战后封赏，汉武帝明显有打压卫青而抬高霍去病的意思，于是此后卫青权势日衰而霍去病则日益显贵，以致很多卫青的旧友、宾客纷纷转投霍去病。
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