而霍去病与公孙敖便分领数万骑兵分别由北地、陇西出塞，向西进击，然后于在塞外合军后一同西进。
天不遂人愿，公孙敖所部迷道，并未能在规定时间在塞外同霍去病汇合。
战机稍纵即逝，霍去病并未过多犹豫，当机立断决定出击。
他独自率领所部继续依原定作战计划，急速前进。
此次霍去病采取了迂回包抄式进攻，由今宁夏灵武渡过黄河，向北越过贺兰山，涉过浩瀚的巴丹吉林沙漠，绕道居延海，转而由北向南，沿弱水而进，经小月氏，再由西北转向东南，深入匈奴境内两千余里。
在祁连山与合黎山之间的弱水上游地区，从浑邪王、休屠王军侧背发起猛攻。
匈奴猝不及防之下仓促应战，被霍去病大破。
此战霍去病歼敌三万余人，迫降单桓王、酋涂王及相国、都尉等三千多人，俘虏五王及五王母、单于阏氏、王子五十九人，相国、将军、当户、都尉六十三人。
浑邪王、休屠王率残军逃走。