为了牵制伊稚斜单于的军队，汉武帝命郎中令李广和博望侯张骞率兵出右北平郡，兵分两路进攻左贤王部，其中李广率兵四千骑、张骞率兵一万骑，两军互为犄角。

然而，由于张骞所率的主力并未按照预定时间出击，结果导致李广率军北上数百里后，便被得知汉军动向的匈奴左贤王，以四万骑兵所包围。

面对十倍于己的敌人，在士卒大多恐惧的情况下，李广果断派儿子李敢快马冲击敌军，李敢独自带领几十名敢死骑士飞奔而去，竟然一举击穿了匈奴骑兵的包围圈，自敌军的左翼冲出包围，又自右翼杀回，然后轻松无比的对李广说道，“匈奴人也没什么难对付的”，士卒们这才安心。

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随后，李广布成圆形阵势，四面朝外巩固防御，匈奴大军则自四面合围，对李广所部发动猛攻。虽然汉军拼死作战，奈何兵力实在太少，不多久便死伤过半，就连箭矢也都快用光了。

李广见状，便命令士兵将弓拉满，不要轻易放箭，只用来威慑敌军，而李广自己则亲用大黄弩弓转射匈奴副将，凭借着精妙的箭法，接连射杀了数个副将，失去了这些将领的指挥，匈奴军队的进攻这才有所松懈。

幸好当时天色渐暗，左贤王虽然没有撤去包围，但也没有继续发动进攻，这才给了汉军喘息之机。经过半日鏖战，汉军将士早已各个面无人色，李广只好表现出一副神色无常的模样来鼓舞士气，这才使得军心稍定。

次日，天色刚刚放亮，匈奴大军便再度发动了进攻，李广则指挥经过一夜休整的汉军拼命抵抗。就在李广所部几乎全军覆没之际，张骞统率的汉军主力这才姗姗来迟，匈奴左贤王见状，只得率军撤退，汉军方面由于李广所部损失惨重，而匈奴元气未伤，便也放弃了追击。

战事结束后，合骑侯公孙敖和博望侯张骞先后因贻误战机而被判处死刑，虽然两人经过出钱赎罪被免除了死罪，但也被降为了平民。至于李广，虽然经过两日血战，斩杀匈奴数千，但由于所部伤亡殆尽，最终功过相抵，再一次错过了封侯。

伊稚斜单于得知河西惨败后大怒，由于浑邪王、休屠王两度惨败于汉军，使得河西匈奴损兵失地，尤其是浑邪王，由于霍去病两次进攻河西的重点皆是浑邪部，其所部几乎伤亡殆尽，伊稚斜单于一怒之下，便决定召诛浑邪王。

浑邪王恐惧之下，遂决定说服休屠王共同归附汉朝，浑邪王向休屠王表明意思后，休屠王的立场便也动摇了。由于前后两次战败，休屠王也担心会遭到责罚，更何况，如果浑邪王归附汉朝，那么他便被浑邪王和汉朝夹在了中间，更加没有了生存空间。

因此，在权衡了一番利弊后，休屠王便也同意了归附汉朝。于是，两王于同年秋派遣使者前往汉朝，请求率部归附。

彼时，浑邪王和休屠王虽然两度遭遇惨败，但手中仍有四万余部众，尤其是休屠王，由于霍去病两次进攻的重点都是浑邪王，他的损失并不算太大，因而汉武帝有心纳降，又担心其中有诈，思来想去，最终还是命霍去病率一万骑兵前去受降。

果不其然，汉军尚未到河西，休屠王便反悔了，他认为自己损失并不算太大，估计伊稚斜单于并不会处死自己，与其跟着浑邪王归附汉朝寄人篱下，倒不如率部投入伊稚斜单于麾下，反倒更加逍遥自在。

浑邪王见休屠王反悔，遂将其杀死，一边收编其部众，一边派人传讯霍去病，请其速速率兵前来。霍去病接到消息，立即率兵前往河西，浑邪王列阵迎候，其部下一些些裨王见汉军阵容严整，担心汉军会趁机剿灭自己，心存疑惧之下便企图逃走，匈奴军阵一时间骚动不已，局势眼看就要失控。

霍去病远远望见，知道时机不可错过，于是果断率兵驰入匈奴阵中，与浑邪王相见，将以休屠王所部为主的欲逃跑者八千余人尽皆斩首，这才迫使匈奴军阵稳定了下来。休屠王之子、年仅十四岁的金日磾眼见父亲被杀，部众又或死或降，无所依归之下，为了求生，只能和母亲阏氏、弟弟金伦随浑邪王降汉。

尔后，霍去病先遣使送浑邪王赴长安见汉武帝，自己则率领着匈奴余众向边境缓行。

浑邪王率部归附后，被汉武帝赐封为漯阳侯，封其裨王呼毒尼等四人皆为列侯,其部众则被安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中等边郡地区，保持原有的风俗习惯，设立五个“属国”。为了切断匈奴人与羌人的联系，汉武帝后于元鼎年间，先后下令在河西设置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，并从内地迁移大量百姓前往这里戍边、生产。

至于丧父又失去部众的金日磾，则被安置在黄门署饲养马匹。此外，为了表彰霍去病在这次受降中的功绩，汉武帝又再次下令加封其食邑一千七百户。