为策应霍去病作战，郎中令李广、卫尉张骞率马队万余，从右北平(郡治平刚，今辽宁凌源西北)解缆，进击左贤王。李广率4000骑北进数百里，因张骞部未能定时解缆，被左贤王4万骑包抄，军士皆发急。李广命其子李敢率数十骑打击匈奴马队步队，以鼓励士气；并将马行列成圆阵御敌，匈奴打击，则弓弩齐发。苦战整天，汉军箭矢将尽，李广手持强弩“大黄”，持续射杀匈奴裨将数人，减缓了匈奴的打击。战至次日，汉军死伤过半，匈奴也伤亡很大。时张骞率万骑赶到，左贤王得救北撤，完成了管束左贤王部的任务。
同年夏，为进一步毁灭匈奴有生力量，完整节制河西走廊，汉武帝令霍去病与合骑侯公孙敖率精骑数万，由北地(郡治马岭，今甘肃庆阳西北)解缆，分两路打击河西匈奴。霍去病率部渡黄河，经戈壁南缘，迂回至居延泽(今内蒙古额济纳旗北)，西太小月氏(今甘肃敦煌市南湖镇阳关遗址西南)，转向东南，攻至祁连山(今甘肃肃南裕固族自治县西北)，大败酋涂王，降俘6500人，斩首3万余。汉军亦伤亡非常之三。另路公孙敖部因丢失方向未能插手作战。