面對勢如虎狼的噶爾丹，朝廷中出現了不同的意見。有的人提出西北路途遙遠，興師前往未必能夠將其剿滅，主張先不行動。康熙皇帝堅決反對這種意見，指出只有邊境安定，國家才能夠長治久安，決不能苟圖一時安穩，他決心親征。康熙二十九年(公元1690年)二月，康熙皇帝組織兩路大軍，以和碩裕親王福全爲撫遠大將軍、皇長子胤褆爲副統領，由內大臣佟國綱、佟國維任參贊;以和順恭親王常寧爲安北大將軍，以和碩簡親王雅布和多羅信郡王鄂扎爲副統領，由內大臣索額圖、明珠和阿密達等擔任參贊。
康熙皇帝本人則於七月十四日率禁軍由京師起程，十日後駐紮在博洛和屯，以統籌全局，就近指揮前線戰役。起程前，康熙皇帝已經感冒，在前往博洛和屯的途中，病情更加嚴重。在大臣們的懇請下，他決定暫且回京，但前線作戰的具體部署依然由他決定。清軍分兩路出發後，按照各自預定的路線行軍。左路軍副將胤褆由於聽信他人讒言，同福全關係不睦，並私自向康熙皇帝陳奏告狀。
康熙皇帝擔心胤褆在軍中擾亂軍心，便立即下令將其調回京師，另派康親王傑書率軍與福全會合。由於幾天的耽誤，延誤了左路軍北上的時間，導致常寧率領的右路軍孤軍深入，在烏珠穆沁同克什克騰旗交界處遭遇噶爾丹軍隊後，不敵對方攻擊，向南退卻。噶爾丹趁勢繼續用兵，佔據了烏蘭布通，距離福全軍僅三十里。康熙皇帝得報後，命令常寧速去與福全會合，於烏蘭布通夾擊噶爾丹;同時命傑書率兵西進，駐紮于歸化城，切斷噶爾丹西退的途徑。
此時，噶爾丹受到清軍左右兩路的夾擊，但是他依仗着烏蘭布通的有利地形，在山林深處安營紮寨。戰前，噶爾丹設計了“駝陣”，即將上萬頭駱駝的腿捆綁起來，用溼毛氈蒙上，作爲掩體，士兵則從縫隙中發射弓箭和槍炮。憑藉着這樣的駝陣，噶爾丹能攻能守。戰爭開始後，駝陣果然起到了顯著的效果，清軍使用弓箭、火銅攻擊都毫無效果，而自身又缺乏掩體的保護，傷亡慘重，佟國維在衝鋒中陣亡，前鋒參將格斯泰和前鋒統領邁圖也在戰鬥中犧牲。康熙皇帝得知前線被困於“駝陣”，即命費揚古率八旗炮兵營攜紅衣大炮等急赴參戰。
在大炮的攻勢下，駱駝紛紛撲地，噶爾丹的工事被毀，清軍趁勢發動衝擊，噶爾丹驚潰敗退。次日，噶爾丹組織部隊北撤，並派濟隆活佛攜請罪書前往清軍營地遊說，表示再不進犯喀爾喀。福全中了噶爾丹的緩兵之計，命令自己的部隊和其他各路軍停止進攻。康熙皇帝得到前線捷報後，下令追敵，不留後患。五六天後福全接到康熙皇帝的命令時，噶爾丹已經率殘部遠退，追敵已經來不及，就這樣烏蘭布通大捷的勝利成果功虧一簣了。
烏蘭布通戰役後，噶爾丹率殘部兩千餘人回到了科布多，此時他的營地和妻子家眷已經被其侄策妄阿拉布坦洗劫一空。但噶爾丹依舊賊心不死，一面休養生息，以圖將來東山再起;一面爭取沙俄的支持。康熙三十三年(公元1694年)，康熙皇帝多次約噶爾丹蔘加會盟，以調節準格爾部同土謝圖汗等部之間的矛盾。而噶爾丹拒不接受清廷的邀請，反而蠻橫地要求清政府交出土謝圖汗和哲布尊丹巴，不然將繼續用兵喀爾喀。
次年，噶爾丹自認爲兵力充足，再次向喀爾喀蒙古進攻，並揚言在冬後進攻漠南。康熙皇帝召集了朝中三品以上的武官，共商征剿方案。許多大臣主張距離太遠，沙漠地帶運送武器糧草都實爲不易，勸康熙皇帝不要輕舉妄動。將軍費揚古則主張出兵進剿，認爲若不盡早根除噶爾丹，北部邊疆必定後患無窮。經過多次聽取大學士意見和議政王大臣會議的討論，康熙皇帝決定再次率兵親征。
康熙三十五年(公元1696年)二月，康熙皇帝下令兵分三路，其中，黑龍江將軍薩布素率東路軍由興安嶺克魯倫河進發;撫遠大將軍費揚古率西路軍從寧夏越過沙漠沿翁金河北上，切斷噶爾丹的退路;康熙皇帝則親率中路主力軍，出獨石口至克魯倫河，協同東西路軍夾擊作戰。康熙皇帝率領的中路軍在無邊無際的沙漠和草原上行進數千裏後，經過五十九天的艱苦歷程，終於在五月初五從科圖逼近噶爾丹。
西路軍途徑的草地被噶爾丹焚燬，只能迂迴前進，因此行程速度受阻;東路軍也未按時到達預定地點，這就給中路軍帶來不利態勢。此時又有傳聞沙俄出兵來援，大學士伊桑阿擔心中路軍遭敵方夾擊，建議康熙皇帝率中路軍後撤。康熙皇帝嚴加斥責了這種畏戰懼敵的言論，表示此次親征一定要殲滅噶爾丹。經過分析討論，康熙皇帝下令中路軍繼續前進，並將隊伍分成兩路，一路佔據克倫和左岸的山麓高處，佯作大部隊將從那裏經過，然後自己率另一路爭先據河，並於克魯倫河一帶夾擊噶爾丹。
噶爾丹原本並不相信康熙皇帝會親征，當他從清軍放回的俘虜口中得知康熙皇帝確已親征，便到高山上向遠處望去，發現“御營黃幄龍纛，環以幔城，又外爲網城，軍容山立”，遂命部下拋棄廬帳、兵器，連夜逃竄。康熙皇帝率兵渡過克魯倫河後，抵達巴彥烏蘭，結果卻撲了個空，便又立即率三名總兵，挑選精兵輕騎，對噶爾丹猛追不捨。同時令費揚古率西路軍疾馳至昭莫多設伏堵截。
康熙皇帝帶領的輕騎連續追擊了五天，但是由於糧餉供應不續，不得不停止。費揚古則督兵星夜奔馳，終於在五月十三日趕在敵人之前到達昭莫多。緊接着，費揚古按照康熙皇帝的部署，命一部分旗兵下馬步行，在昭莫多東部列陣;同時令騎兵主力隱蔽在圖拉河對岸的密林中。佈陣完畢，噶爾丹的部隊已經行至距離昭莫多三十里的地方，費揚古便派出四百騎兵迎戰，用且戰且退的方式將其引至昭莫多。
噶爾丹一路直追，想最終在昭莫多猛撲清軍各制高點，清軍則以子母炮等予以還擊，在整日的激戰之後，雙方勝負難分。這時，費揚古發現噶爾丹軍後陣一直沒有動靜，斷定是家眷和牲畜等，於是又派出一支精騎兵前往襲擊。這一招令噶爾丹軍營大亂，清軍立即趁機四面出擊，殺敵三千餘人，俘獲人畜無數，噶爾丹愛妻阿奴也被斬殺。噶爾丹見大勢已去，便自率數騎逃跑。康熙皇帝的此次親征，取得了輝煌的勝利。五月十八日，得昭莫多捷報傳來，康熙皇帝決定班師回朝，命費揚古駐守喀爾喀招降噶爾丹及其殘部。
