康熙二十九年（1690年），噶尔丹不听康熙劝谕，带领精骑20000自呼伦池南下，杀进内蒙，前锋直抵距北京不到千里的乌珠沁部落。康熙皇帝一方面谕令噶尔丹罢兵息战，归还喀尔喀蒙古故地，同时也加强了口外兵力，准备武装平叛。经派人调查和喀尔喀诸部的反映，他明白噶尔丹的崛起和对蒙诸部的杀戮吞并，严重地威胁着西北边疆各族人民的生存与发展；其投靠沙俄、引狼入室也严重威胁中俄西段边界的稳定和西北边疆的主权。总之，噶尔丹不除，大清的江山社稷就永无宁日。所以，康熙皇帝否决了廷臣中王者不治夷狄对，噶尔丹所为听之任之的妥协倾向，毅然决定跨马亲征。
首战·略有遗憾
康熙二十九年七月，清朝大军兵分三路：第一路，抚远大将军裕亲王福全与皇子胤率左翼军出古北口；第二路，安北大将军常宁率右翼军出喜峰口迎击叛军；第三路，阿尔尼率部与盛京、吉林满兵及科尔沁蒙兵出击乌尔会河口，是为侧翼。计划三路大军会师乌珠穆沁草原，康熙自率亲军驻扎博洛河屯地，节制调度诸军。左翼军出师不利，噶尔丹乘胜渡过西拉木伦河，进占乌兰布通（今辽宁省照乌达盟克什克腾旗南境，距北京350公里）。康熙皇帝当机立断，将右翼军改由康亲王杰书统率，令其驻守归化，截住噶尔丹退路。八月初，常宁会阿尔尼清军将噶尔丹包围在乌兰布通与之决战。噶尔丹依山面水布下驼城（即将骆驼缚蹄卧地，驼背堆放箱垛，上蒙湿布，叛军士卒可在垛隙向外施放弩矢火铳），满以为驼城易守难攻，坚不可摧，清军隔河列阵，火铳齐发，大炮怒吼，自午后至日暮，猛烈的炮火摧毁了驼城，死伤的骆驼反而成为叛军奔逃的障碍，清军大队精骑掩杀而进，叛军横尸遍野，溃散鼠窜。噶尔丹带领残兵败将，在夜幕掩护下突出重围，第二天一早派人向清军阵前求和乞降，但不等回报即爬越大碛山北遁，所过皆烧荒以绝追骑。康熙不许噶尔丹乞和之请，谕令进兵围追堵截残敌，而昏庸懦弱的福全未接到谕令，竟擅自同意叛军之请，撤回军队，放出噶尔丹北逃归路。当他接到康熙进击手令时已是噶尔丹逸窜之后的第6天，派出的追兵一路马无草食，脚力不济，无功而返，错过全歼残敌之机。时康熙身染重病，不能继续驻跸风沙怒号的塞外继续指挥战争，只得班师回朝。对此，他痛心疾首，声泪俱下地说：“朕此次亲征，原欲剿灭叛逆，以靖边陲，不料身染沉疴，未能消灭此贼，实在可恨！”但是，玄烨不愧为一国之君，他不是激化矛盾，而是控制自己的感情，理智地处理了善后事宜。当有人奏劾裕亲王福全不乘胜追剿残敌，竟擅自议和，且檄止常宁进兵，致敌逸窜，康熙以福全率大军有乌兰布通之役，功过相抵，仅薄罚其俸，不再问追；又有人举报科尔沁土谢图亲王通敌，玄烨为稳定内外蒙古部落，也不予追查；他又重赏常宁以下奋勇杀敌的将官兵卒，最终以结束了善后工作。接着，敕谕噶尔丹不得再兴兵犯乱，然后徐徐班师。
远征·深入敌后
为了防备噶尔丹再次进犯，康熙三十年（1691年），康熙亲率上三旗和八旗前锋、火器、护军各二营清军，身披甲胄，跨马出巡塞外多伦诺尔，会盟大漠南北内外蒙古，接受朝觐。此次出巡会盟对外蒙行政官制进行了改革。除仍保留土谢图汗位，其所属济农、诺颜等官号废除，改受贝勒以下官爵；其众分为左中右三路共30旗，与内蒙49旗同列。又在多伦诺尔附近修建了汇宗寺以安置喀尔喀喇嘛。康熙皇帝亲巡塞外会盟之举加强了清朝中央政府与外蒙地方政权之间的关系，也加强了反击噶尔丹内犯的力量，粉碎了沙俄分裂内外蒙古的阴谋，其意义是非常重大的。此后清朝皇帝巡塞会盟成为一项制度沿续了数百年之久。民国时期虽无皇帝，但蒙古部众自动会盟的遗风犹存，可见康熙巡塞会盟影响之深远。
康熙皇帝对噶尔丹没有看错。噶尔丹逃回科布多老巢后，派人向清廷进贡请安，貌似恭顺，暗中则继续向沙俄求援，企图东山再起，。康熙三十三年（1694年），清廷诏谕噶尔丹到多伦诺尔会盟，还在喘息疗伤的噶尔丹就开始跳梁；他不但拒绝会盟，反而致书清廷讨索土谢图汗和哲卜尊巴丹，甚至在哈密杀害清廷派往伊犁的敕使马迪（理藩院员外郎），并诱使内蒙诸部归他统治。科尔沁土谢图亲王将此事密折上奏。于是，康熙三十四年（1695年），康熙密谕内蒙科尔沁诸部，要他们姑且伪降噶尔丹，诱其深入，然后清军云集，欲一战歼灭之。是年九月，噶尔丹果然鬼迷心窍，率精兵30000沿克鲁伦河东犯，且扬言将借俄罗斯60000鸟枪兵大举进攻漠南。康熙皇帝知道这是噶尔丹在故伎重演，意在试探和麻痹漠南蒙古诸部，实则蹂躏漠北，观察动向，伺机南进。康熙是不会让噶尔丹得逞的，他要千里远征，深入敌后，给噶尔丹一个出其不意、措手不及的打击。
全胜·平定叛军
康熙三十五年（1696年）三月，玄烨决定第二次亲征。他命令黑龙江军萨布素率满洲八旗和科尔沁部蒙古为东路，抚远大将军费扬古率陕甘满蒙八旗和绿营兵出宁夏为西路，自率上三旗出独石口为中路；三路大军约期会师瀚海（内蒙古呼伦贝尔湖）。由于风沙弥漫，路途遥远，中路军与其他两路大军失去了联系，康熙皇帝与将士们在茫茫的戈壁大沙漠风餐露宿，艰难跋涉了一个多月，人马的饥渴疲乏之苦难以尽述。有一段时间连续几天滴水未见，要是再没有水，中路军将全军覆没。康熙皇帝学习过西洋地理学，他亲自相地寻找水源，祷告上苍保佑将士平安，清室福祚绵延，然后命将士掘土，终于，一股清亮的泉水喷涌而出！康熙严令前锋人畜分饮，保护水源清洁，以使后续部队饮用。就这样，中路军渡过了最危难的时期。后来，行军途中又风闻沙俄派兵支援噶尔丹，大学士伊桑阿即坚请康熙回銮，康熙愤怒地斥责这种惧怕困难、遇敌畏退的论调：朕祭告天地宗庙出征，不遇贼而返，何以对天下？且大军退，则贼尽锐注攻西路，西路军不其殆乎？玄烨心中考虑的是全局，是西路大军的安危，是此次整个军事行动的成败，遂命令加快行军速度，向克鲁伦河疾驰而去。到达目的地后，康熙遣人告诉噶尔丹：御驾亲征到此！噶尔丹两耳一竖：什么？皇帝会远涉大漠，千里亲征？可登高一望使他不得不信，只见夕阳之下黄幄龙纛，旌旗猎猎，刀枪林立、盔甲耀日，人啸马嘶，军容雄壮，这种阵势完全不似千里跋涉的疲惫之师！噶尔丹心下暗暗吃惊：康熙果然厉害，治军有方，用兵如神！他未等交锋即连夜遁窜。康熙亲率健锐轻骑猛追三天，直至拖诺山下。噶尔丹心思，你康熙欺人太甚，谅你远途奔袭，至此不过，能奈我何？遂准备在拖诺山扎营阻击，给康熙一点颜色。可他的部下官兵已是惊弓之鸟，中箭之兔，狂奔不止，一口气逃到昭莫多（今乌兰巴托市东附近），虽说摆脱了康熙追骑，但老弱辎重均亡逸，只余万人跟随。
噶尔丹逃到昭莫多正要喘口气，却遇上了先期而至的费扬古西路军。费扬古所率西路军长途行军，士饥马疲，且有很大一部分为绿营步兵，如果与噶尔丹轻骑互相冲锋对杀肯定会吃亏。他避短取长，采用反客为主之法，以绿营步兵占据昭莫多小山，大队骑兵埋伏附近丛林，只派前锋400骑迎战噶尔丹，且战且退，诱敌深入。五月二十三日，被诱入昭莫多的噶尔丹受到西路清军的三面围杀，叛军10000轻骑几乎全军覆没，连噶尔丹那个披铜甲、佩弓矢、骑怪兽、骁勇非常的红颜阿敦（蒙语，可汗的妻子叫阿敦）也当场毙命。噶尔丹仅携贴身随从数十骑突围逃命。此役沉重地打击了噶尔丹势力，他从此便一蹶不振。