元狩四年(公元前119年)，為了徹底消滅匈奴主力，漢武帝發起了規模空前的“漠北大戰”。這時的霍去病，已經毫無爭議地成為了漢軍的王牌。漢武帝對霍去病的能力無比信任，由衛青和霍去病各領5萬騎兵，分東西兩路向漠北進軍。為了解決糧草供應問題，漢武帝又動員了4萬多私人馬匹，步兵10余萬負責運輸糧草輜重。

關于這個漠北之戰自古以來評說紛紜，原因是這里面發生的故事頗多。稍知道歷史的人都知道，本來是以霍軍決戰單于的，卻出了情報錯誤，致使精心安排的對局變成了陰錯陽差，衛青對上了單于，霍去病卻只好拿相對較弱的左賢王部出氣。然而這場大戰完全可以說是霍去病的巔峰之作。

霍去病率軍出代郡和右北平，充分發揮騎兵的機動作戰能力，穿越大漠，北進轉戰2000余里，越過離侯山，渡過弓閭河，轉而攻擊匈奴左賢王戰略集團，與匈奴左賢王的強大騎兵集團在此展開了驚心動魄的殊死決戰。“獨孤求敗”的霍去病一路追殺，經過激戰，漢軍大獲全勝，斬敵7萬余人，俘獲匈奴屯頭王、韓王等，將軍、相國、當戶、都尉等83人，左賢王戰敗逃走。

此戰，徹底打垮了左賢王戰略集團，是繼消滅右賢王戰略集團和同期衛青打垮單于戰略集團的又一決定性的勝利。漢軍乘勝追至狼居胥山(今蒙古肯特山)，就在這里，霍去病暫作停頓，率大軍進行了祭天地的典禮——祭天封禮于狼居胥山舉行，祭地禪禮于姑衍山舉行。這是一個儀式，也是一種決心。

封狼居胥之后，霍去病繼續率軍深入追擊匈奴，一直打到翰海(今俄羅斯貝加爾湖)，方才回兵。從長安出發，一直奔襲至貝加爾湖，在一個幾乎完全陌生的環境里沿路大勝，這是怎樣的成就！

經此一役，匈奴的三大戰略集團都被打垮，沒有能力再和漢朝進行大規模的作戰，漠南從此無匈奴王廷。解除了西漢初年以來匈奴對漢王朝的威脅。

這次戰役過后，漢武帝又劃定5800戶增封驃騎將軍。和霍去病一起出兵的將領都得到了封賞，右北平太守路博德隸屬于驃騎將軍，與驃騎將軍在與城會師，沒有錯過日期，跟隨驃騎將軍到達梼余山，俘虜和斬殺匈奴2700人，劃定1600戶封路博德為符離侯。北地都尉邢山隨驃騎將軍捕獲匈奴小王，劃定1200戶封邢山為義陽侯。從驃侯趙破奴、昌武侯趙安稽都跟隨驃騎將軍打匈奴有功，各增封300戶。校尉李敢奪取了敵軍的軍旗戰鼓，封為關內侯，賜食邑200戶。校尉徐自為被授予大庶長的爵位。另外驃騎將軍霍去病屬下的小吏士卒當官和受賞的人很多。

此時，霍去病在軍中的勢力大長，已經和他的舅舅并駕齊驅了，大將軍和驃騎將軍都當了大司馬。而且定下法令，驃騎將軍的官階和俸祿同大將軍相等。

此戰，霍去病可謂戰功彪炳，登峰造極，惟一的遺憾是由于情報有誤，錯失單于而抱憾終生。曾經看過不少關于兩強相遇的假設，也有人提出若真的遇上單于大軍，霍軍是否一定取勝。這種懷疑是多余的，以當時霍軍裝備之精良、戰斗力之強大，霍去病對戰爭那種與生俱來的敏銳和得心應手，以及其在軍中無與倫比的權威和掌控能力，霍軍取勝當不成問題。

當然了，霍去病沒碰上單于，用現在的詞語來形容心里也郁悶得很，一路追殺左賢王到天邊也是一種發泄和驅策吧。這次漠北戰役雖然是霍去病生命中的頂峰，但也是少年將軍的最后絕唱，一代戰神的傳奇在這里畫上一個句號。霍去病和他的“封狼居胥”，從此成為中國歷代兵家人生的最高追求，終生奮斗的夢想。而這一年的霍去病年僅22歲。