漢匈河西戰役共分兩次作戰。第一次作戰發生于漢武帝元狩二年（公元前121年）三月，漢驃騎將軍霍去病統率1萬多精騎，迂回奔襲1000多里，殲滅匈奴軍8900多人。第二次作戰發生于漢武帝元狩二年夏，漢軍以數萬騎兵分兩個方向作戰，主要方向由驃騎大將軍霍去病統率騎兵數萬人，遠距離迂回河西地區，繞至渾邪王和休屠王的背后，一舉全殲匈奴軍3萬多人，獲得了巨大勝利。
自古以來“河西走廊”即是中原地區通往西域諸國的咽喉要道，具有十分重要的戰略地位。西漢王朝要想完成統一我國西北地區的大業，必須占有這個關鍵性的地區。
河西地區，原來居住著大月氏部族，自從匈奴冒頓單于等驅除月氏，逼其西遷后，便被匈奴占領。匈奴單于把武威及其周圍地區封給休屠王，將酒泉及其周圍地區封給渾邪王。匈奴據此，西可控制西域諸國，南可與羌族結成對抗漢王朝的聯盟，對西漢西部地區構成嚴重威脅。因而，能否控制河西走廊已成為匈奴強弱勝敗的重大關鍵。
漢匈西河朔方戰役和漠南會戰之后，漢王朝給了匈奴右賢王和單于本部以沉重打擊，匈奴單于的主力已日感在漠南立足的嚴重危險，遂將主力遠撤。這樣，在大漠以南的廣大地區內僅剩下左賢王和河西地帶內的休屠王、渾邪王所統率的軍隊，漢王朝戰略進攻的重點，勢必擇其一而攻之。
匈奴右部占據著河西地區，背靠西域諸國的經濟與軍事實力，經常進襲西漢西部邊境地區，對漢京師長安構成嚴重威脅。漢武帝從建元三年（公元前138年）起，即想使西域諸國脫離匈奴貴族的統治，統一西域諸國，當時派了漢中人張騫出使西域，但被匈奴抓獲，西漢統一西北的戰略宏圖，由于河西走廊的阻隔始終難以實現。如果西漢王朝奪回河西走廊，既能解除匈奴從西方對漢王朝的威脅，又可斬斷匈奴與羌族部落的聯盟，大大削弱匈奴的勢力范圍，斬斷匈奴的右臂，極有利于漢統一西域地區。漢王朝基于以上的戰略意圖，決定發起河西戰役。
西漢王朝認為，雖然由于匈奴本部和左賢王部經常派出大軍進襲右北平、上谷、代郡、雁門等地，這些地區遭受戰爭的災難最深，本應首先對付匈奴本部和左部。但是，從戰略全局上衡量，西部地區的匈奴右部對漢腹心地區威脅最大，而兵力反比匈奴本部與左賢王為弱，因而決定以騎兵部隊先向河西地區進攻，并沿河西走廊節節向西北方向推進，爭取一舉消滅河西地區的匈奴勢力，砍斷匈奴的右臂。
匈奴在漠南會戰失利后，為報復漢王朝進擊其左部和本部的行動，仍然依仗其左部和基本部的力量，繼續向西漢王朝東北邊境進襲，但進襲的次數已明顯減少。而對西漢王朝可能向其右部進擊的行動，沒有具體的作戰謀劃和調兵遣將的準備。這就為西漢向河西地區的進軍，創造了有利的條件。
漢武帝元狩二年（公元前121年）三月，漢武帝命令驃騎大將軍霍去病，統率1萬多名勁騎，開始向河西地區進擊。霍去病軍從隴西出塞（今甘肅臨桃地區），迅速進至金城（今甘肅蘭州地區）、令居（今甘肅永登西），跨越烏鞘嶺，一路轉戰6天，掃除了匈奴五個部落王國。接著越過焉支山（今甘肅山丹縣境之大黃山，亦稱燕支山）疾進1000多里，與匈奴軍拼殺，斬殺了匈奴折蘭王、盧胡王，繳獲休屠王的祭天金人，俘獲渾邪王之子以及休屠王和渾邪王的相國、都尉等，殲滅了匈奴軍8900多人。匈奴休屠王和渾邪王率殘部逃走，霍去病軍進至敦煌地區完成了斬斷匈奴右臂的戰略任務后，勝利回師。
霍去病軍回師后，漢武帝對這位20歲的青年將領，首次獨立出征建立的功勛十分贊賞，漢武帝下詔表彰霍去病的戰功。
霍去病率軍進行的河西戰役第一次作戰，雖然深入匈奴境內近2000里，大軍貫穿整個河西走廊，但由于只有平推，沒有聚殲，使休屠王和渾邪王逃之夭夭。漢武帝為了徹底殲滅河西地區匈奴軍，又于當年夏天，命霍去病第二次率軍進軍河西地區。
漢武帝為了聚殲匈奴右部在河西地區的兵力，策定由兩個方向出擊。主要方向由驃騎大將軍霍去病與合騎侯公孫敖，率數萬騎兵進襲河西地區，兵分兩路將匈奴包圍殲滅于祁連山地區；次要方向以博望候張騫、郎中令李廣出右北平，進擊左賢王部，以牽制匈奴單于的左部兵力，避免其向河西方向增援。
匈奴左賢王部在漢軍出右北平北進時，也派出數萬騎兵南下，進擊代郡、雁門，似有分散漢軍兵力，使其不敢放手全力攻擊河西右部的企圖。
漢武帝元狩二年（公元前121年）夏，漢軍按預定作戰策劃開始行動，分兩個方向同時出擊。
主要方向：驃騎大將軍霍去病和合騎侯公孫敖各自率領兵馬由北地（郡治在甘肅環縣東南地區）和隴西（今甘肅臨桃縣南）出塞。公孫敖部由于迷失了方向，未能按預定的策劃和霍去病會師，因而霍去病軍只能孤軍奮戰。他率領部隊由今寧夏的靈武渡過黃河北進，翻越賀蘭山，涉過浩瀚的巴丹吉林大沙漠，進至居延海地區。轉而由北向南，沿弱水而進，經過小月氏（今甘肅酒泉一帶），再折而轉向東南進擊，進至祁連山與合黎山之間的弱水上游一帶地區，突然出現在渾邪王和休屠王軍隊的背后。經過激戰，霍去病軍共俘獲匈奴手下相國、將軍、當戶、都尉63人。匈奴之單桓王、酋涂王、稽沮王、呼于屠王、單于閼氏、王子59人也被擒獲，斬殺遫濮王，迫降敵2500人，斬首3.02萬級，取得了巨大勝利，而霍去病軍隊僅傷亡3/10。
主要方向上作戰的順利發展，完全切斷了匈奴軍北退的通路。匈奴軍北退一般沿三條路線：一條是越過今騰格里沙漠沿黃河北上；一條是過焉支山，沿石羊河北去；一條是沒弱水，走居延海北歸。漢軍兩次河西作戰的勝利，就將匈奴北撤的路線堵死，使河西地區的匈奴軍，處于進退維谷的境地。
次要方向：博望侯張騫和郎中令李廣，率1萬多騎兵出右北平。李廣所率4000多騎兵為先頭部隊，先出塞北進數百里，與左賢王數萬騎兵部隊相遇，兩軍激戰兩天兩夜，李廣軍斬殺敵人超過4000多，自己傷亡過半。但張騫所率之軍，到達戰場過晚，當張騫軍到后，匈奴軍見漢軍援兵趕到而撤走。
匈奴單于在左、右兩個方向與漢軍激戰的同時，也出兵數萬騎，進襲代郡、雁門等地，殺掠邊民后撤去。
霍去病兩次河西作戰，為西漢王朝建立了巨大功勞，受到漢武帝的高度贊揚，這位青年將領的威望與日俱增，也使匈奴軍聞之喪膽，成為與大將軍衛青齊名的對匈奴作戰的主將。
匈奴伊稚斜單于，對其右部的數次失敗，損兵折將，非常氣憤，責怪渾邪王、休屠王作戰不力，準備治渾邪王以死罪。渾邪王得知后，十分恐懼，便與休屠王商議共謀投降漢朝。元狩二年（公元前121年）秋，渾邪王和休屠王派出使者，前往漢王朝邊境防守將軍李息營內，商談投降事宜。
李息將情況向漢武帝做了報告，漢武帝怕匈奴渾邪王、休屠王以詐降而進襲邊境，于是決定命霍去病率領部隊前去受降。
渾邪王和休屠王盡管兩次戰敗，但仍然擁有數萬軍隊，且受降地點遠在匈奴境內，很有可能出現預料不到的突然變化。因而漢軍雖然名為前去受降，但必須像對待作戰任務一樣，時刻準備與敵人面對面地搏斗。所以，漢武帝將這個艱巨的任務，交給了威鎮敵膽的霍去病。
當霍去病率領1萬騎兵尚未到達河西時，休屠王改變了態度，拒絕降漢，渾邪王一怒之下斬殺了休屠王，收編了他的軍隊。霍去病軍隊渡過黃河，以威嚴的編隊前進，渾邪王的4萬多部眾望見漢軍嚴整的隊伍，有的緊張，有的部將企圖逃跑。霍去病見此情景，當即率領部分將校精騎，馳入渾邪王陣內，與渾邪王相見，同時命令漢軍將正在逃跑的8000匈奴兵斬殺掉，迫使渾邪王的部隊穩定下來，隨即讓渾邪王率少數人先去長安見漢武帝。然后霍去病率領匈奴的萬多人馬，號稱10萬人渡過黃河，向長安進發。
渾邪王即將到達京師時，漢武帝派出2萬車騎前往迎接。在霍去病所率匈奴降軍到達長安后，漢武帝又大擺筵席，招待匈奴軍的將士，并以數十萬賞賜給眾人，封渾邪王萬戶，為漯陰侯，脾王呼毒尼為下摩侯，鷹庇為火軍渠侯，禽黎為河綦侯，大當戶銅離為常樂侯。
霍去病率軍勝利接受渾邪王投降的成功，是漢武帝時期繼兩次河西作戰后的又一巨大勝利。霍去病的這一豐功偉績，使之成為漢武帝時期最年輕有為的赫赫戰將，“日以親貴，比大將軍”。
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