针对噶尔丹的阴谋活动，为防噶尔丹南下，清政府采取了一系列的相应措施，在归化、张家口，大同等战略要地派兵驻守，设立火器营，多置驿站传送军令，建立了包围漠北的积极防御的军事体系：任命甘肃提督孙思克为振武将军，在右卫（今山西右玉县）驻扎重兵；令建威将军希福驻守大同，将大同、杀虎口的步兵2244名均改为骑兵；在归化城专设将军1员，总管都统、副都统、训练官兵等事务，任命名将费扬古为安北将军。康熙帝又令内大臣明珠、索额图，都统噶尔玛、副都统硕岱赴内蒙古中部，调动内蒙古和喀尔喀骑兵，各驻要地侦察防卫。在东北，康熙帝则令盛京（沈阳）、吉林、黑龙江等地的驻军遇事“可会于形胜之地，科尔沁兵亦令随行”，由黑龙江将军萨布素以索岳尔济山为三省会兵之地，相机进剿。
经过多伦会盟，蒙古各部相互协条，决心在清政府的领导下，共同抗击沙俄的侵略野心和噶尔丹的进犯。康熙帝对此深为满意，曾说过“昔秦兴土石之工，修筑长城，我朝施恩于喀尔喀，使之防备朔方，较长城更为坚历”。
康熙三十四年八月，噶尔丹为抢掠喀尔喀的牲畜过冬，向克普伦河以东推进，沿途被抢掠殆尽，康熙帝于是设计诱敌深入，令科尔沁土谢图亲王沙律将噶尔丹引诱至漠南，然后清军全面出击，康熙帝准备“亲统大军，风驰电击”，一举将其歼灭。当时，汉族大臣担心他的安全，反对康熙亲临漠北，深入绝域。但康熙帝胸有成竹。“夫烈焰弗戢，必将燎原，积寇一日不除，则疆圉一目不靖”，“夫今不图，噶尔丹来侵我49旗，则必调天下绿旗沿边戍守，所扰不益多乎！”
噶尔丹果然中计沿克鲁伦河南下，康熙帝认为：“机不可失，不俟草茁，即应往剿”，遂于三十五年二月三十日率大军亲征。康熙帝令抗俄名将、黑龙江将军萨布素率东三省军出车路，遏敌前锋；派安北将军费扬古、振武将军孙思克等统领陕、甘兵出宁夏西路。断敌归道；康熙帝则自率中路大军担任主攻，由独石口趋外蒙古。三路大军约定在克鲁伦河会齐，三路夹攻合围，中路主攻，西路堵截，东路拦击，三路大军互相策应，使噶尔丹成为瓮中之鳖，插翅难逃。
中路军：由康熙帝统帅，合官兵厮役，原定3．2970万名，大致有汉军火器营兵2000名及随营炮兵，炮手绵甲军818名及厮役409名，东北之盛京兵2000名，黑龙江兵2000名，宁古塔兵1000名，宣化府绿旗兵3000名（不久减去1000名），以及后增的内务府佐领兵266名，察哈尔左翼四旗军822名，喀喇沁兵500名，扎萨克王以下，附丁以上1992名，古北口绿营兵1500名等，共计约3．6万名。
此外，中路军还有预备兵8392名，尾随主力前进。
中路军每人自带80日口粮，另发帑金6万两，造车4000辆，续又增造1500辆，每车载米6．6石及炊具营帐粮草等物，调直鲁豫三省夫役充任驭手，运粮队的蒙汉佚役及官兵共约8600名。
西路军：分为归化城军和宁夏军两支。归化城军由费扬占亲自带领，包括右卫兵，大同绿旗兵各5000名，京城增发兵3470名，合官兵厮役兵2．4260万名。另有察合尔右翼四旗军822名，大同养马护军及鸟枪护军280名，归化城土默特官兵854名，内蒙古乌兰察布盟六旗共派兵600兵，伊克昭盟鄂尔多斯六旗派兵1000名从征。喀尔喀赛音诺部郡王善巴、滚布、镇国公素泰伊勒登三旗也踊跃参战。估计归化城军总计3万人以上，配备了各类火炮100门，绵甲7000领，火箭3000只。
归化城军每人自带80日口粮，康熙帝又令山西巡抚动用正项钱粮督造了运输车1500辆，运粮队总计约3000人。
宁夏军：原定2．24万人，出肃州（今甘肃酒泉）经坤都伦河、额济河赴漠北，后定宁夏军由宁夏（今银川市）经平罗营出口。此路有孙思克的甘州（今张掖）军1800名，潘育龙的肃州军1000名，苳大成的凉州军（今武威）1200名，殷化行的宁夏军3000名，共有绿旗7000名。另有由西安将军博济率领的西安满洲军3000名，满洲军每人各带仆从1名，绿营马兵2人合带余丁或子弟1人，以供樵汲牵驱之役，这支队伍共约1．7万人。孙思克及将弁捐造了子母炮共80门。
陕甘军人给五月行粮，共合米2．24万石，其中以牛羊带一日之粮，其余1．72万石皆以驼马驮运，以步兵和马兵2500名牵挽护送。
东路军：由盛京、吉林和黑龙江兵组成，共6000名，合厮役约1．2万人。盛京、吉林兵于三月启程，黑龙江兵于四月出发，三省军会师于索岳尔济山，然后直趋克鲁伦河。在这之前，清政府已调内蒙古锡林格勒、昭乌达、哲里木三盟的骑兵驻乌尔会河，以便策应东路军。
粗略估计，康熙帝远征军的规模在14万人左右，为了便于联系和传递军情，清政府还建立了多处驿站，杀虎口、独石口外各置60个驿站；中西两路之间在汛界外设15站，宁夏在部多里一路设了13个驿让，归化城军在噶尔拜察罕库腾一路设立了17个驿站，每站有水井10余处。
由于西行路途纡远，沿线尽是荒漠沙碛和沼泽，噶尔丹又放火烧荒，坚避清野，所以行军极为艰苦。尽管八旗做了充分的准备，由于地理条件的限制，除中路进展较为顺利之外，东西两路则行程缓慢，难以如期到达，所以当中路军于四月九日突进至科图时，东西两路大军却未能如期到达，以致于无法相互策应。为了不迟误军机，西路统帅孙思克只得令“将众军裹带之粮尽行并聚，所乘之马亦摘取膘壮者随之，于所领绿营官兵7000之内，挑选精健者2000以往，其余尽数择将佐之素有威望者带领以归。与孙思克同路的西安将军博霁也挑选2000八旗后与孙同行。四月十一日，孙思克才在察罕和朔（今蒙古巴彦温都尔西边）与费扬古军队会师。
清军虽然处于中路突出、两翼落后的不利态势，康熙仍坚持继续前进、放慢速度、相机而行的正确主张。这时，沙津密遣诱敌的使者从噶尔丹处回报：“噶尔丹有兵2万，又借俄罗斯兵6万”。喀尔喀降者也声称：“前者噶尔丹曾求援兵于俄罗斯国，前月俄罗斯使者20余人来约，至青草出后，助鸟枪手1000，及车炮发至东方克鲁伦河界上。”清军的少数将领闻听后，心怀疑惧，主张退兵自保，让西路军深入前行。这个建议将导致中路军前功尽弃，使西路军偏师受敌。关键之时，康熙帝面谕群臣晓以大义，决定继续进军：“务期剿灭噶尔丹而还。”“我师既至此地，噶尔丹可擒可灭，而肯怯懦退缩乎？”于是全军统一了意志，继续北进，五月五日迫近克鲁伦河。
七日，康熙帝亲率前锋兵突进，“诸军鳞翼张而进，兵威之盛，弥山遍野，不见涯际，整齐严密，肃在无声”。噶尔丹闻讯后登高遥望，见河南驻扎御营，黄幄龙辇，内环军幔，外布网城，精兵强将严阵以待，不觉惊恐万分，自知不敌，于是将器械辎重及体弱伤残者尽皆抛弃，连夜拔营宵遁。康熙率军急迫，但因军粮匮乏，只得令平北大将军孙思克挑选部分精骑，携20日粮饷穷追不舍，与西路军共同夹击噶尔丹。
西路归化城军因中途牲口倒毙，粮饷不继被迫精简，汰弱留强，集中粮、马，选精锐北上。孙思克先率500名精兵赶至翁金附近的察罕和朔与费扬古会师，后继部队则加速行进。五月四日，西路军两支已达土喇河，五月十三日，西路军与噶尔丹军遭遇，双方展开了一场决定噶尔丹命运的昭莫多之战。
昭莫多是蒙古语大树林之意，这一带地势平旷，林箐丛杂，位于今乌兰巴托以南之宗莫德，在富饶美丽的土喇河上游，“其北大山，干仞壁立，山下平川广数里，树木断续，有河流其间，曲折环绕，其南山差低于北，逶迤而下，有小山横焉，战地也”。西路军在戈壁荒漠，牧草烧绝之地跋涉了77天（宁夏军为73天），粮食已绝，饥寒交迫，抵达照莫多时将士们已是面带莱色，精疲力竭。费扬古闻讯后令急行军，抢占了昭莫多的有利地形，决定采取以逸待劳，饵敌来攻，后发制人的方针，让先头部队休息待命。随后，又令喀尔喀郡王滚布、副都统阿南达、阿迪，署前锋统领硕代且战且退，诱敌进入特勒尔济口。
噶尔丹也是一名经验丰富的战略家，他并不甘心自己的溃灭，一路边退却边寻找机会反朴，企图歼灭清廷的西路主力军。为防有埋伏，噶尔丹大军在涌到昭莫多时四处侦察，格外留心。忽然密林中火炮齐鸣，杀路一路人马，噶尔丹镇定观察，见不过是只有400来人的部队，而且全是步兵，而他自己手下尚有万余名精兵，于是放松了警惕，下令大军攻击。噶尔丹大军的人数，诸书记载不一，多说是五六千人。费扬古在战后奏报：“噶尔丹率‘贼’万许，向前逆战。”蒋良骐《东华录》也记载，“噶尔丹率‘贼’万计逆战”，但在昭莫多之战以后，除被消灭、俘虏、投降者外，仍有兵五六千人，所以以兵力以万人较为符合实际。
数百名清兵且战且退，佯装败逃，退至特勒尔济口。费扬古将军见敌军来势凶猛，立即登山布阵。以甘、凉、宁、肃四镇绿旗兵2300人抢占小山制高点，作为中间，扼险俯击；以京城、西安满洲汉军官兵、察哈尔右翼4旗、鄂尔多斯6旗、关拉特3旗、毛明安旗、四子部落旗、喀尔喀右翼旗蒙古兵紧靠东方高地列阵，右卫满洲汉军官兵，大同官兵，喀尔喀善巴、滚布、索泰伊勒登了旗就西方沿河布镇，迅速张开口袋，准备一举歼灭叛敌。
激战首先是从争夺小山制高点开始的。
噶尔丹率军抵达昭莫多后，立刻集中兵力抢攻马鞍形的小山头。清兵据险俯击，矢铳迭发，敌兵毫不惧怯，前队倒毙则后队继进，并舍骑仰攻，鸟枪、弓箭齐发。双方从太阳偏西杀至薄暮（未时至酉时，即下午三、四时到晚上七、八时），杀声震天，但双方仍处于对峙胶着状态。殷化行望见敌人阵后森林中人马丛集，久不出动，断定是敌人的妇稚辎重，于是请求费扬古将军攻噶尔丹军的侧翼，再派一支精兵迂遇到噶尔丹阵地后方，前后夹击。费扬古观敌嘹阵，只见小山头上孙思克据险死守，用火铳、弓弩迎击，而“噶尔丹以及妻子阿努娘子等，亦皆冒炮矢而斗，锋甚锐，不可败”，于是便采纳了宁夏总兵殷化行的建议。清军三路出击，上下夹击，锐不可挡。小山上孙思克激励官兵说：“贼远来，当乘机扑杀，一战成功，有退缩者，法无赦！”殷化行也带着众将士拥着拒马木，执圆盾控矢冲下，矢射如雨呼声惊天动地。一时间，山下烟雾迷漫，但见尘沙陡起，血肉纷飞，敌骑抱头乱窜，哭爹喊娘乱作一团。“‘贼’众遂披摩，坠下山谷者满坑谷，弃杖如麻。”清军剩胜追击30余里至特勒尔济口，费扬古怕人困马乏深夜中伏，下令收兵。回至昭莫多时，已是次日凌晨。此战“斩首2000余级，生擒百余人，俘获子女、驼、马、牛、羊兵器、计物无算”。噶尔丹仅率数骑逃走，其妻阿奴被杀，逃散之敌有千余人投降大将军马思喀但据费扬古奏报，该战歼敌2000余人，阿南达认为应是3000余人；另获驼马若干，牛2万余头，羊4万只。
噶尔丹昭莫多战败逃亡之后，仍拒不降清，纠集残部5000余人流落在塔米尔河（今蒙古车车尔勒格东北）一带，走投无路，狼狈不堪。噶尔丹唯一可以指望的声援力量，是西藏以第巴桑结嘉措为首的神权势力，但清兵已经驻扎于河西走廊的甘、凉、宁（西宁）、肃四镇，严密控制了漠北通向青藏的通道，而且原为噶尔丹所属的甘州萨里维吾尔族（今裕固族）7400余口，也已降清。此时，沙俄因受《尼布楚条约》的约束，不敢接纳噶尔丹投俄，而占据伊犁河的策妄阿拉布坦与其岳父已调兵屯于阿尔泰山，因此，噶尔丹已无法返回故土。加上哈密回王额贝杜拉达尔汉伯克已于九月降清，并将噶尔丹之子色布腾巴尔珠尔擒获，献给清臣，这样噶尔丹成为无立足之地的丧家犬，惶惶不可终日。
康熙采取了种种措施，将噶尔丹围困于漠北科布多河一带，同时发起强大的军事政治攻势，瓦解残敌，争取噶尔丹降清。但噶尔丹仍强项不降，于是康熙帝在1696年和1697年又接连两次亲征。在清军的强大压力下，噶尔丹众叛亲离，忧闷成疾，服毒自杀（一说于康熙三十六年三月十三日清晨发病，当晚即亡）。康熙帝“务期殄灭，穷尽根株”的目的终于实现，遂凯旋回京。