单于逃走后，他的士兵在汉军追兵中杂乱地跟随，单于很长时间都没能与部下会合。右谷蠡王以为单于已死，于是自立为单于。过了十几天，单于终于出现。于是左谷蠡王自己去除了单于称号。
骠骑将军霍去病率领的骑兵和拥有的物资辎重，和大将军卫青相当，不过他没有裨将，于是以李敢等为大校，当裨将使用。从代郡、右北平出塞，行军二千余里，越过沙漠，与匈奴东部兵团遭遇，俘虏屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉等八十三人，封狼居胥山，积土增高，祭祀天神；禅姑衍山，为墠祭地，祭祀地神。登临瀚海沙漠，豪气干云，共俘虏敌人七万零四百四十三人。天子以五千八百户封给骠骑将军霍去病，增加他的采邑。又加封他的部下右北平太守路博德等四人为列侯。跟从霍去病杀敌的赵破奴等二人，增加封户。校尉李敢为关内侯，关内侯本来没有采邑，特准有采邑(二百户)。军中吏卒纷纷升官，赏赐甚多。而大将军卫青没有得到加封，随从军吏也没有封侯的。
卫青与霍去病两支部队出塞时，官私马匹加起来一共十四万匹，回来的不满三万匹。
于是，汉武帝增设大司马官位(全国武装部队最高司令官)，卫青、霍去病都是大司马，又下令霍去病的级别和俸禄与卫青完全相等。自此以后，霍去病越来越显贵，而卫青就稍稍衰落了。卫青的门客故人们，纷纷改投霍去病门下，得到官爵，唯独任安不肯这么做。