汉军回师后，张骞、公孙敖均以不能按期会合，叛处死罪，后以财物赎免，贬为庶人。李广则功过相当，未得封赏。匈奴伊稚斜单于得知浑邪王、休屠王两战两败，丧失河西绝大部分地区，十分恼怒，要对他们严加惩处。2王惧怕，无路可投，便于当年秋派使者赴汉乞降。此时2王手中仍有4万余部众，号称10万。汉武帝恐其中有诈，令霍去病率1万骑兵前去受降。果然，汉军未到河西，休屠王突然变卦，拒绝降汉。浑邪王攻杀休屠王，收编其部众，但人心极不稳定。汉军渡过黄河后，排列成威严的队形前进。浑邪王列阵迎候，其部下一些裨王见汉军阵容严整，心存疑惧，企图逃走，匈奴阵中骚动起来，局势眼看将不可控。霍去病远远望见，当机立断，急率小部精骑驰入匈奴阵中，与浑邪王相见，将欲逃跑者8千余人尽行斩首，迫使匈奴军稳定下来，尔后先遣使送浑邪王赴长安见汉武帝，自引匈奴余众向西汉边境缓行。汉武帝封浑邪王为漯阳侯，将其部众安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中5郡之边。为了切断匈奴与羌人的联系，西汉政府在河西地区先后设置了武威、酒泉、张掖、敦煌4郡，从内地迁移大量人口到这里戍边、生产。

　　为了表彰霍去病在这次受降中的功绩，汉武帝再次下令益封1700户给霍去病。两次出击河西及接受浑邪王投降的过程中，霍去病充分显示了其勇武、机智、果断的军事指挥才能，其声望、地位日增，与大将军卫青已不相上下。

　　河西之战是汉武帝继河南、漠南作战胜利后对匈奴所采取的又一次重大战略行动，也是汉武帝时期对匈奴最重大的3次战役之一。这次战役的胜利，使西汉王朝完全占据了河西走廊地区，打开了通往西域的道路，切断了匈奴与羌人的联系，为日后向漠北的匈奴单于主力发动进攻创造了良好的条件。