七月初二日，康熙帝任命皇兄和硕裕亲王福全为抚远大将军，皇长子允褆副之，出古北口；皇弟和硕恭亲王常宁为安北大将军，和硕简亲王雅布、多罗信郡王鄂扎副之，出喜峰口。七月六日，福全等奉命从京师出发，康熙帝赐诗一首，表达了他对皇兄及皇长子的重托和希望。
康熙虽然没有亲征，但并没有安坐后方，在福全等出发几天之后，于七月十四日以“巡幸边塞”为名，启程北上，试图进至临近前线，对即将爆发的反击战起到实际的指挥与决策作用。可是事与愿违，康熙帝十八日刚出古北口便“圣躬违和”。但他仍带病坚持前进，于二十日到达距福全仅300里的博洛和屯（今河北隆化），立即整饬驿站，建立了直达军前的通讯系统，有意在此掌握军情，指挥前线战事。但因过度劳累，二十二日夜里病情突然加重，“身热心烦，彻夜未眠”。诸大臣、侍卫惶惧不安，一再恳请圣驾回銮。康熙帝不得不同意“暂且回銮”。但心情十分痛苦，流着泪对随从诸臣、侍卫说：“朕来此地，本欲克期剿灭噶尔丹，以清沙漠。今以朕躬抱疾，实难支撑，不获亲灭此贼，甚为可恨。”康熙帝回京，将指挥全权委托给皇兄与皇长子。皇弟恭亲王一路兵马，也“听大将军调用”。
大兵出发后，康熙曾担心噶尔丹闻讯潜逃，指示福全“往复遣使以羁之”。谁知噶尔丹已忘乎所以，并不以闯入汛界为非。当他得知清廷调动和集结大批军队之后，无所畏惧，并引兵内进，逐步南下，于二十七日至克什克腾旗南境，沿萨里克河至乌兰滚地方，并抢先占据其主峰乌兰布通峰，距离同日到达吐力埂河的清军仅30里。噶尔丹倚仗有利地形，反客为主，“觅山林深处，倚险结营”。临战，布阵于山岗，以骆驼万千头构筑工事，先将骆驼捆住四脚，使之卧于地上，背上加上箱垛，盖上浸过水的毛毡，排列如栅，士兵于栅隙处瞄准放箭、放枪，做到攻守两利。
福全经过3天认真准备，于八月初一日黎明，各队按秩序向乌兰布通主峰进发。下午一时许临近敌人，隔河而布阵，以火器为前列，径攻中坚。开始时，地形条件对清军十分不利，噶尔丹军队居高临下，且在林中隐蔽，清军面临泥淖，隔河仰攻，暴露无遗，战斗极为艰难。清军伤亡人数很多。清军炮火齐发，继续强攻，终于在下午七八时击毁驼城，断敌阵一分为二，敌人惊溃不支。清军乘势进攻，遂破敌人的战垒。
噶尔丹乘夜“旋奔高山顶，遁入险恶处”。清军以昏夜地险，收兵徐退，驻兵山周围，仍对噶尔丹形成围困之势。
康熙于回京途中八月三日行至石匣，接到福全的奏疏，得知首战告捷，“不胜欣悦”，但十分担心诸王大臣等滋生怯战和麻痹情绪，使征剿半途而废，遂降谕重申务必全歼敌人的意图。然而福全不等皇帝谕旨，竟于八月二日以“使我将士暂息”为名，放缓对乌兰布通山的围攻，八月四日又接受噶尔丹所提“休征罢战”的要求，下令各路军队一律停止进击，并给噶尔丹开了安全通行证。噶尔丹见清军停止战斗，乘隙连夜逃走。康熙帝降旨斥福全贻误战机，但为时已晚。
乌兰布通之战虽未达到全歼噶尔丹的目的，但使噶尔丹遭到沉重打击，实力大为削弱，逃亡途中又遇到瘟疫，得以生还者不过数千人。所以，战后噶尔丹一反过去傲慢态度，一再发誓“自此不敢犯喀尔喀”。
康熙于八月十八日遣人敕谕噶尔丹，严正声明：“尔今率尔兵出界而居，不得擅犯我属下部落喀尔喀一人一畜，亦不得有一人与众部落往来通使”，“若再违誓言，妄行劫夺生事，朕厉兵秣马，见俱整备，必务穷讨，断不中止”。
康熙通过这次战役，总结了敌我双方在战略战术和军事素质上的差距，以求知己知彼。他通过回顾总结，扭转了原来认为噶尔丹不堪一击的轻敌思想，同时找出了清军的弱点，不仅“排列太密”，被伤者多，而且“进退之际，海螺未鸣”，指挥不力。鉴于这种情况，康熙决定有针对性地进行训练。此后，康熙帝设火器营；恢复春秋二季的校猎，“令八旗官兵集于宽敞平原之地，排列阵势，鸣锣进退，以熟操练”。
多少年之后，他仍不忘乌兰布通战役的教训。
击退噶尔丹之后，康熙立即重新编组喀尔喀蒙古各部落。他接受喀尔喀蒙古贵族们的所请，决定按照管理内蒙古四十九旗的办法，将喀尔喀蒙古有效地管理起来。康熙帝于三十年（1691）四月十二日启程巡察边外蒙古等生计，抚绥安置喀尔喀数十万民众，四月三十日到达多伦诺尔。皇帝行营安设之后，令喀尔喀各部落贵族从百里外移近50里，与内蒙古49旗贵族们的帐幕一同环绕皇帝行营屯列。
五月初一至初七日，在多伦诺尔上都牧场境内，召集全体喀尔喀贵族举行会盟，对喀尔喀蒙古部落间的矛盾进行调解，明确是非，评定是非曲直，然后颁赏封爵，并举行阅兵。当五月七日康熙帝会阅完毕启程回北京时，内蒙古四十九旗和喀尔喀蒙古的贵族们分列路之左右，依恋不已，伏地流涕，情景至为感人。
多伦会盟，结束了长期以来喀尔喀蒙古的内部纠纷，促进了我国北方蒙古族的团结；朝廷加强了对喀尔喀的管理，使之成为保卫边疆的重要力量。
噶尔丹在乌兰布通败逃时，曾跪于威灵佛前发誓，永远不再侵犯中华皇帝之喀尔喀以及众民，但逃脱险境惊魂稍定，立即故态复萌，继续与清廷为敌。康熙三十一年（1692）八月，噶尔丹的属下率兵在哈密附近杀害了康熙帝派往策妄阿拉布坦的使臣员外郎马迪等，“尽劫马驼行李而去”。同年九月，噶尔丹又上疏，继续索要喀尔喀蒙古头领及民众。康熙看出噶尔丹心怀叵测，从而加强了防御。
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