在甘肃张掖西北同右贤王主力浑邪王、休屠王所部展开激战，俘获了匈奴单桓王、酋涂王和单于阏氏、王子以及相国、都尉等官兵二千五百人，斩杀敌兵三万零二百人，汉军只伤亡士卒十分之三。
这是一次异常辉煌的胜利。骠骑将军霍去病的勇猛剽悍，为汉武帝争得了无上荣光。汉武帝增封霍去病五千四百户，他手下的将佐赵破奴、高不识、仆多等也在同日受封为候。从此，二十岁的霍去病日益尊贵，获得了同大将军卫青同样的尊荣。
通过祁连山一场恶战，匈奴在西线战场遭到沉重打击，士气低落，军心不稳。右贤王的领地里广泛传唱着这样一支悲伤不已的民歌： “失我焉支山，使我妇女无颜色；亡我祁连山，使我六畜不蕃息。”
匈奴最高统治集团内部也发生了矛盾，伊稚斜单于恼恨浑邪王和体屠王屡战屡败，丧失了大片赖以生存的水草丰美的草场，欲杀掉浑邪王和休屠王。浑邪王和休屠王遂计划向汉朝投降，并秘密地同汉朝取得了联系。
这是自马邑开战以来，匈奴第一次大规模的请降活动，它预示着汉匈双方的实力对比已经发生了根本性的变化。
汉武帝在建元对策中表示要“德润四海，泽臻草木”,现在，经过多年的辛苦筹划，拼死作战，终于在北边看到了蓝图即将实现的曙光，汉武帝感到精神十分振奋；不过，汉武帝虽然头脑容易发热，古怪离奇的想法层出不穷，但他很少得意忘形。