此战，霍去病生擒匈奴右贤王属下五个小王、王后，收服了单桓及其手下相国、校尉等六十三个高级干部、单桓部最后仅剩的大约两千五百匈奴兵也做了战俘。这一仗，霍去病共砍了三万零二百颗匈奴人脑袋，而汉军战损仅三成，河西地区的匈奴军主力由此只剩下被打残的休屠王和浑邪王部。
独自歼灭匈奴主力的霍去病部向南行军数日才遇到姗姗来迟的公孙敖。此时霍去病已经遣斥候将军情八百里加急汇报长安，公孙敖想请他代为隐瞒的请求被他无情拒绝。
霍去病拒绝与公孙敖合兵返回陇西，独自回师金城驻扎休整等待长安指示。同时，他令被刘彻派出支援他的李息在金城建城，并新建皋兰山到狄道的官道，让汉军在陇西的军事存在完全突破秦长城。
因为河西战局被打得一败涂地，“伊稚邪”要召集浑邪王和休屠王到王庭“议罪”。浑邪王和休屠王害怕被以凶狠残忍闻名的“伊稚邪”杀掉，商量之后决定降汉，并遣使通过霍去病向长安表达了投降的意图。
刘彻接报后迅速作出指示：命公孙敖将兵权交给霍去病,只带少量部队押送战俘回京并等待议罪。同时，命霍去病率所部及公孙敖部渡过黄河迎接浑邪王和休屠王。
在南下降汉的过程中，休屠王忽然“脑回路秀逗”，认为自己所部损失并不算很大，未必会被“伊稚邪”杀头，又起了反复的念头。浑邪王趁其不备将其诛杀，并控制了他的老婆孩子。
于是浑邪王吞并休屠王部，携两部共计四万余人（号称十万）来到黄河边准备向汉军缴械投降。但是，浑邪王部裨将和休屠王旧部有很多人不想投降，在看见汉军后发生趁乱逃跑事件。
霍去病当机立断，率部首先控制了浑邪王本人，然后将意图北逃的八千人就地斩首，彻底平定了最后的危机。
处理完一切事宜后，霍去病控制浑邪王，并押着休屠王的妻儿回京，再得食邑五千四百户，由此继舅舅卫青之后也踏入“万户侯”行列。高不识、仆多、赵破奴此战后也封了侯，徐自为和化名邢山的李胖虎也都升了将军军职，之前八百骑中也有多人获得校尉、司马军职。由此，霍去病的发家八百骑成为汉军中升职最快的团体。
虽然投降过程意外频出，刘彻还是看在浑邪王降汉有功封他为万户侯——漯阴侯（其实就是让他继续统帅本部人马）。其余五个在投降后表现最好的匈奴小王也被刘彻封侯并带着族人和部分休屠部百姓成为大汉的“羁縻侯”，被分别安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中五处，称为“五属国”，当抵御匈奴的先锋队。单桓等匈奴败将也被刘彻软禁在长安作为统战工作的宣传材料。最惨的是半路“脑回路秀逗”的休屠王的家属，他的遗孀阏氏和两个儿子金日磾、金伦都被刘彻安排进皇宫做了杂役。
自元狩二年秋开始，河西之地正式归入大汉版图。刘彻先后在河西之地建立了四个郡，即武威、张掖、酒泉、敦煌，并在霍去病第一次渡河和最后一次迎接休屠王渡河之处建立金城县重点发展。
河西归汉之后，陇西地区成为了大后方，关中地区更是再无受匈奴骚扰之虞。大汉将国境线西延两千多里后直达西域东部，并将大部分羌人部落与匈奴隔离，使长期稳定的西域贸易开展成为了可能。失去河西之地的匈奴人则陷入深深的绝望之中，祁连山是匈奴让出漠南之地后唯一一块最适合六畜栖息的场所，而焉支山则是一百多年来匈奴妇女使用胭脂的原料产地。于是有《匈奴歌》哀悼河西之失道：
失我祁连山，使我六畜不藩息。
失我焉支山，令我妇女无颜色。
霍去病凭借“河西之战”杀敌接近五万、俘虏匈奴军民超过四万，战损仅三千余骑，以十九岁的年纪“一战封神”，建立千秋功业！
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