不甘失败的匈奴更加猖狂进犯，数万骑杀死代郡太守，掠走千余人，入雁门，杀掠千余人，复入代郡、定襄（今内蒙古自治区呼和浩特市）、上郡，各三万骑，杀掠数千人。匈奴右贤王怨恨汉朝筑起朔方城，数次入侵河南地，杀掠吏民甚众。面对规模和次数都有所增大的匈奴进攻，公元前124年，汉武帝派卫青率六位将军出朔方、高阙六七百里发动突袭，以为汉军尚远而毫无准备的匈奴右贤王在醉酒中遭到了包围，十分惊恐趁夜色狼狈逃窜。汉军俘获敌一万五千余人，凯旋班师。次年，卫青率六位将军出定襄数百里，歼敌数千。经返回定襄休整后，再次出塞，斩获敌人一万九千多名，扩大了对匈奴作战的战果，为下一步实施河西战役打下了良好基础。
公元前121年春，汉武帝改变北击方向，派骠骑将军霍去病征西，霍去病以“匈奴未灭，无以家为”的壮志豪情，率万骑出陇西，越过焉支山（今甘肃省山丹县）千余里，斩获匈奴折兰王、卢侯王等敌兵一千九百余人，缴获休屠王祭天金人。夏季又和合骑侯公孙敖出陇西、北地，博望侯张骞和将军李广则出右北平侧翼呼应。霍去病深入祁连山，俘获卓桓王、酋涂王以及敌兵三万余人。河西战役给了河西匈奴诸部巨大打击。匈奴伊稚斜单于迁怒于战争中受到重创的浑邪王和休屠王，欲召诛之，迫使两王降汉。浑邪王杀中途反悔的休屠王，率部众四万余人归汉后被安置在北边五郡的塞外，号称“五属国”，进入属国的匈奴可以保持原有的部落组织，只在行政上接受汉朝属国都尉管理。汉朝占领河西走廊后，本初想劝被月支赶走的原住民乌孙重回故地，以免再落匈奴之手，但遭到因内斗激烈而无暇顾及的乌孙拒绝，于是汉朝先后设置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，徙民充实，使大片荒野变成良田，防守西陲的人力、物力都可以就地取给，同时还阻绝了匈奴与羌族的联系。狭窄的河西走廊犹如一把长长的战斧，把青藏高原和蒙古高原的联系劈开，使草原弧形包围圈形成巨大的缺口，导致了整个战略格局的重大变化。正如《汉书·匈奴传》所言：“汉东拔濊貉、朝鲜以为郡，而置酒泉郡以隔绝胡与羌通之路，又西通月支、乌孙王以分匈奴西方之援国，又北益广田至眩雷（在乌孙北）为塞，而匈奴终不敢以为言”。汉武帝宏伟的战略部署，破解了匈奴借助草原弧形包围圈在长达数千里战线上的东西呼应，不仅彻底改变了使汉军难以应对的困局，还对匈奴形成了反向包围，为战略反击创造了前提条件。匈奴民谣“亡我祁连山，使我六畜不繁息，失我焉支山，使我嫁妇无颜色”，正是这段历史的慷慨悲歌。自此，金城（甘肃省兰州市）以西至盐泽（今新疆维吾尔自治区罗布泊）匈奴绝迹，不仅保障了陇右和关中的安全，还打通了连接西域各国的通道，使汉朝版图延伸到西域边缘，增强了汉朝和匈奴在西域的势力斗争中的战略地位。
匈奴连遭挫败，伊稚斜单于接受了本为匈奴人的汉降将赵信的计策，将主力退居漠北，想利用沙漠疲惫汉军。为了彻底击溃匈奴，公元前119年，汉武帝集中全国财力、物力，发动了漠北战役。令大将军卫青和骠骑将军霍去病各率骑兵五万出征，为解决粮草供应，汉武帝又动员了私人马匹四万多，步兵十余万，负责辎重运输。卫青出定襄，至今戈壁阿尔泰山一带，与严阵以待的匈奴遭遇，双方激战至黄昏，忽然刮起风暴，沙砾扑面，卫青乘机派出部队从两翼包抄，伊稚斜单于兵败仓皇逃窜。汉军斩获敌一万九千余人，追至阗颜山（今蒙古国杭爱山），获得匈奴屯积粮草补充军用，然后烧毁余粮胜利班师。霍去病出代郡、右北平向北深入敌境二千余里，与匈奴左贤王遭遇，经过激战，斩获敌七万余人，左贤王败逃而去。霍去病在狼居胥山（今蒙古国东肯特山）筑坛祭天，在姑衍山（今蒙古国东肯特山西北）辟场祭地，登临瀚海（今俄罗斯贝加尔湖）后，胜利班师。这次战役使匈奴受到沉重打击，迫使匈奴各部纷纷北移，以至出现“匈奴远遁，而幕南无王廷”的局面。
在几次战役中，汉军屡战屡胜，沉重打击了匈奴赖以发动战争的军事实力。匈奴伤亡惨重，故不得不处于守势，但出其本性，仍没有放弃对汉境的侵扰。公元前112年，又开始侵五原、杀太守。次年汉武帝派两路大军征讨，一路出九原二千余里，远至浮苴井，一路出令居（今甘肃省永登县）数千里至匈河水，都寻找不到逃避不战的匈奴人。公元前110年，汉武帝又亲率十八万铁骑至朔方向乌维单于挑战，匈奴仍不敢应战。
公元前103年，汉军开始连续失利，浞野候赵破奴率两万骑出朔方。在距受降城四百里的地方被匈奴八万骑兵包围，赵破奴被活捉，全军覆没。公元前99年，骑都尉李陵率五千步卒出居延海，北行千余里，遭遇八万匈奴大军的围攻，连战八日，在缺粮少箭又无救兵的情况下，李陵接受劝降，部下逃回的仅有四百余人。公元97年，贰师将军李广利率六万骑兵和十万步兵出朔方，狐鹿姑单于率十万骑兵在余吾水（今蒙古国土拉河）南严阵以待，双方交战了十多天，李广利听说家族被汉武帝以巫蛊罪满门抄斩而投降匈奴，逃回的兵士每千人中仅有一两人而已。汉军遭受到严重的失败，对西域楼兰、车师、大宛的相继出兵，虽最终都迫其投降，但损失也颇巨大。自李广利投降后，汉武帝做了深刻反思，针对在轮台（今新疆维吾尔自治区轮台县）屯田，构筑亭障的建议，颁发了“轮台诏”，确定不再从事增加百姓负担的事情，注意发展农业，军事上奖励养马以保持守备力量即可。之后汉武帝再没有出击过匈奴，汉匈关系进入相持阶段。（徐君峰）
