武帝不免震怒，意欲往讨，特就上林凿通一池，号为昆明池，使士卒置筏池中，练习水战，预备西讨。一面复擢霍去病为骠骑将军，使他带领万骑，出击匈奴。去病由陇西出击，迭攻匈奴守砦，转战六日，逾焉支山，深入千余里，杀折兰王，枭卢侯王，擒住浑邪王子，及相国都尉，夺取休屠王祭天金人，斩获虏首八千九百余级，始奏凯还京。武帝赏去病功，加封食邑二千户。
过了数月，适当元狩二年的夏季，去病复与合骑侯公孙敖，率兵数万，再出北地，另派博望侯张骞，郎中令李广出右北平。广领骑兵四千人为前驱，骞率万骑继进，先后相去数十里，匈奴左贤王探知汉兵入境，亟引铁骑四万，前来抵御。途次与广相值，广只四千马队，如何挡得住四万胡骑？当即被他围住。广却神色不变，独命少子李敢，带着壮士数十骑，突围试敌。敢挺身径往，左持长槊，右执短刀，跃马陷阵，两手挑拨，杀开一条血路，穿通敌围，复从原路杀回，仍至广前，手下壮士，不过伤亡三五人，余皆无恙。颇有父风。军士本皆惶惧，见敢出入自如，却也胆壮起来，且闻敢回报道：“胡虏容易抵敌，不足为虑。”于是众心益安。广令军士布着圆阵，面皆外向，四面堵住，胡兵不敢进逼，但用强弓四射，箭如飞蝗。广军虽然镇定，究竟避不过箭镞，多半伤亡。广也令士卒返射，毙敌数千。嗣见箭干且尽，乃使士卒张弓勿发，自用有名的大黄箭，大黄弩名。专射敌将，每一发矢，无不奇中，接连射毙数人，胡儿素知广善射，统皆畏缩不前，惟四面守定圈子，未肯释围。相持至一日一夜，广军已不堪疲乏，个个面无人色，独广仍抖擞精神，力持不懈。俟至天明，再与胡兵力战，杀伤过当。胡兵终恃众勿退，幸张骞驱着大队，前来援应，方得击退胡兵，救出李广，收兵南回。广虽善斗，其如命何！那骠骑将军霍去病，与公孙敖驰出塞外，中途相失，自引部曲急进，渡居延泽，过小月氏，至祁连山，一路顺风，势如破竹，斩首三万级，虏获尤多，方才凯旋。武帝叙功罚罪，分别定论，广用寡敌众，兵死过半，功罪相抵，仅得免罚。张骞公孙敖延误军期，应坐死罪，赎为庶人。只去病三次大捷，功无与比，复加封五千户，连部下偏将，如赵破奴等，皆得侯封。