河西走廊是沟通西域的战略通道，全长一千多公里，南有祁连山，北有合黎山、龙首山。祁连山终年积雪，河西走廊水源丰富，是游牧民族天堂般的天然牧场。合黎山、龙首山以北是告瀚的巴丹吉林大沙漠。河西走廊原先是月氏人的牧地，汉文帝时，匈奴逐走了河西走廊的月氏人。匈奴占据河西走廊后就把蒙古高原与青藏高原连通了起来，广阔的西域都成了匈奴的势力范围。

汉军取得阴山战役胜利后，已将匈奴单于王庭逐至漠北。匈奴在漠南地区的残余势力在东西两头，东北方向剩下左贤王，西北河西走廊则有浑邪、休屠二王占据着。东北方向的左贤王构不成主要威胁；河西走廊的浑邪、休屠二王则北连匈奴单于腹地，西控西域各国，南控西羌诸部，对内地构成很大威胁。显然，夺取河西走廊已成为进一步打击匈奴势力的关键。汉武帝把进攻匈奴的重点转向西北，打通河西走廊的大功臣是年轻将领霍去病。汉武帝元狩二年是霍去病之年。那一年的春、夏秋三季，他连续三次出征河西，把盘踞在河西走廊的休屠、浑邪一王扫荡一清。

那年春天，霍去病奉命“将万骑出陇西”，向河西走廊发动初次进攻。陇西，陇山以西，泛指甘肃陇山以西。陇山是六盘山南段的别称。出陇西，就是从关中向西，过宝鸡，进入甘肃境内，翻越陇山，到达陇山以西。西汉时，陇西郡治在狄道。霍去病出陇西，“逾鸟憝，讨邀濮，涉孤奴”。这三句话比较费解，颜师古注：“乌錾，山名也。”錾，绿色的意思。“逾乌憝”，指翻越乌鞘岭。“讨邀濮”，邀濮是匈奴所属的一个游牧部落小王国，被顺路征服之。“涉孤奴”，孤奴是石羊大河的古称，发源于祁连山，经武威地区向北流入腾格里沙漠后消失，上游滩宽水浅，故能涉水而过。

霍去病取得春季大捷后，使汉武帝受到极大鼓舞。当年夏天，他决定对匈奴发动一场规模更大的夏季攻势。夏季攻势分西路和东路两个方向同时出击，以西路为主要进攻方向。东路由李广和张骞领兵出右北平，攻击匈奴左贤王，以掩护西部主力出击。西路由霍去病率主力，公孙敖领兵配合，再次进攻河西走廊。公孙敖领兵出陇西，从正面吸引和牵制敌人。霍去病率精骑主力，采取远距离、大迂回的方式，从北地郡出塞，从灵武渡过黄河，翻越贺兰山，“涉钧耆，济居延”，然后从居延海折向东南，沿弱水河进至祁连山与合黎山之间的黑水流域，出敌不意，插至匈奴侧后。

公孙敖部迷失方向，没有按时与霍去病会合。霍去病当机立断，从侧后向匈奴发起猛烈突袭。匈奴军猝不及防，大败，被歼三万余人，单桓、酋涂二王所属两千余人投降，俘获单桓、酋涂、稽且、邀濮、呼子耆五王，以及诸王王子五十九人，另有相国、将军、当户、都尉六十三人。由于这些匈奴小王都是匈奴单于之子，所以被俘人员中有一位王母是单于阏氏。霍去病又获得夏季战役大捷。

东部的李广和张骞却打得很不顺利。李广与张骞在进军途中失去联系，李广率四千骑陷入左贤王四万骑的重围。面对十倍于己方的匈奴兵力，李广并不慌乱，令其儿子李敢率数十骑发起第一次冲锋，以鼓舞士气。他命令队伍列为圆阵，四面对外。匈奴骑兵连续发动冲击，矢如雨下。激战中，汉军杀伤匈奴数千人；汉军死伤过半，箭矢将尽。李广的箭法名震匈奴，他让士兵们拉满弓，引而不发，他自己用大黄连弩射死匈奴裨将数名，这时天也黑了下来，匈奴攻势减缓。第二天继续激战，张骞率万骑赶到，左贤王退兵，汉军失利而归。西部的公孙敖、东部的张骞，都在行军时迷失方向贻误战机，按西汉军律，当斩，花钱赎为庶人。

伊稚斜单于对河西走廊春、夏两次惨败，极为恼怒。他认为主要责任在浑邪王，准备把他召到单于王庭以罪诛杀。浑邪王惊恐之下，与休屠王密谋降汉。他们先派使者去找驻守在朔方郡的汉将李息乞降，李息“驰传以闻”，派驿道快马将此事火速报告汉武帝。汉武帝既高兴又担心，怕对方诈降袭击汉军派霍去病带兵前去受降。

当年秋天，霍去病已领兵出发，那边休屠王反悔，浑邪王怕坏事，将休屠王杀了，收编了他的部众。霍去病率军渡过黄河后，与浑邪王部众遥遥相望。这时浑邪王部众出现躁动，有的小王见汉军阵势强大，不想投降，开始逃跑。霍去病率精骑驰入匈奴阵中，将浑邪王监护起来，斩杀不愿投降逃跑者八千余人，这才将浑邪王部众震住。霍去病派人先将浑邪王护送去长安，自己带领部队监护四万多匈奴渡过黄河南返。朝廷发车两万辆迎接来降匈奴，最终将他们分别安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中五郡的黄河以南、秦长城以外的地区内，“赏赐数十巨万”，“因其故欲，为属国”。

汉武帝封来降的浑邪王为漯阴侯，食万户。休屠王被浑邪王杀了，但休屠王的太子金日弹也在俘虏队伍中，当时只有十四岁，没入汉宫养马。汉武帝发现这小孩把马养得很好，就封他为马监，对他很器重。金日磾在汉武帝关怀下逐步升迁，最终得以进入西汉朝廷的权力核心。汉武帝去世时，他最小的儿子汉昭帝刘弗陵继位时才八岁，金日婵以车骑将军头衔，与大司马大将军霍光、左将军上官桀受诏辅政。这是西汉包容大度的一个例子。不过金日婵一年后就病死了。

至此，河西走廊全为汉朝占领，实现了“断匈奴右臂”的战略目标。当年，汉武帝下诏将陇西郡、北地郡、上郡的戍卒减少一半，“以宽天下徭役”，在河西走廊以战争换得了和平。西汉在河西走廊设置了四个郡，筑了三座城。四个郡即武威、张掖、酒泉、敦煌。三座城即光禄城、居延城、令居城。四郡三城的设置和建造，目的是牢牢控制河西走廊，进行有效管辖和精心治理。为了填补驱走匈奴后的这片真空地带，又在居延绿洲开渠造田，驻军屯垦，移民实边。从此，从兰州以西的金城郡和整个祁连山脉一直到盐泽“空无匈奴”。匈奴失去河西走廊，遭到空前沉重的打击。“亡我祁连山使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我嫁妇无颜色。”