从康熙三十二年（1693）正月起，康熙先后往右卫（今山西右玉）、归化（今内蒙呼和浩特）、宁夏（今宁夏银川）、肃州（今甘肃酒泉）等地派兵遣将，以防噶尔丹侵犯西藏、青海、哈密等地。同时部署了东路兵力，令盛京（沈阳）、乌喇（吉林）、黑龙江官兵，遇事“可会于形胜之地，相机前进”。这样，从西到东，形成了完整的防御体系。
康熙三十四年（1695），噶尔丹率骑兵3万，以流寇方式，在外蒙地区忽东忽西，到处骚扰。康熙三十四年十一月四日，康熙帝确知噶尔丹正屯驻巴颜乌兰过冬，活动范围在土拉河与克鲁伦河流域，兵丁6000，便决计出兵三路进剿：东路，派盛京兵、宁古塔兵、黑龙江兵共5000人，令定期会合，由三省将军统辖，以防噶尔丹东侵；西路，调右卫兵、京城增发兵及大同绿旗兵，合计24260余人，总辖于费扬古，由归化城进剿；中路，调京城、宣化府绿营兵等，共计27970余人，由京师进剿。此外，另设陕西一路，发西安满洲兵、汉军火器营兵、绿旗兵共22400余人，后来见噶尔丹无西窜危险，将这路兵合于西路，由费扬古率领。以上兵力已达79600余名，超过噶尔丹兵力十倍以上。
在三路清兵中，中路和西路是主力，西路已任命费扬古为抚远大将军，而中路一直未任命统帅，人们猜测皇帝有意亲征，于是纷纷上疏劝阻。康熙帝始终不忘乌兰布通之战的教训，故而决意亲征，并立即着手各项准备工作。
三十五年（1696）二月下旬，康熙得知诱敌之计奏效，噶尔丹果然沿克鲁伦河而下，认为机不可失，乃于三十日亲统大军启行，经怀来、赤城，出独石口，向西北进发。行军途中，康熙帝“常以休息士马为念”，见行李迟缓，军士人等不能及时安营，他就于每日五更即起，亲自督促运送兵丁行李的驮队及早启行，使行李先到营地，这样，士兵马匹得到及时安置休息。见天气阴晦，怕有雨，就立即传谕部队注意盖护马匹。三月十五日，部队驻于滚诺尔的地方，雨雪交加，康熙帝见军士未即安营，自己也不肯先入行宫，“雨服露立，俟众军士结营毕，始入行宫，营中皆炊饭，然后进膳”。此时康熙已年过四十，仍保持其祖辈与士卒同甘共苦的优良作风。
康熙在进军途中，不断派人出使噶尔丹，以探听消息，并从其扣留使者马驼，令步行而回，分析他尚不知士兵到来，因而有恃无恐，并未远遁。康熙据此展望战局，认为前景甚为乐观，西路兵即使稍迟缓，噶尔丹也难逃阻截。两路合兵聚歼顽敌，已指日可待。
随从大臣等仍然坚持噶尔丹已经逃遁之说，建议皇帝返回。康熙严加驳斥。不久，遣往探听消息的人回来说，噶尔丹未曾逃去，仍在克鲁伦，诸臣无不钦佩皇帝的高见。
四月十三日，康熙亲率中路大军从科图进入喀尔喀，至苏德图驻跸，派人通知西路大军费扬古，中心内容是令其注意阻击溃逃之敌。
四月二十二日，康熙驻西巴尔台，得知噶尔丹“实在塔尔几尔济地方”。第二天接费扬古奏疏，知西路军于初十日从乌兰厄尔几启行，进趋土拉，预计五月初三日可到克勒河朔地方。康熙与诸王大臣研究作战方案。后来，康熙又两次发动臣下讨论作战方案，表现了高度的军事民主作风。
到五月初四日，预计费扬古已到土拉，康熙便遣使以敕书、赐物及俘虏送往噶尔丹。噶尔丹原不相信皇帝亲征，说：“康熙皇帝不在中国安居逸乐，过此无水瀚海之地，宁能飞渡乎？”后来从康熙放回的厄鲁特人口中得知皇帝确实已亲自出征，又亲到前沿遥望清军大兵队伍行列规模，“不似乌兰布通时”，大惊失色说：“是从天而降耶？”遂传令众人，尽弃其庐帐器械而去。
五月初七，侦知噶尔丹所在，康熙立即整兵出击。
他亲率前锋兵在前，诸军依次而进，兵威之盛漫山遍野，不见涯际，整齐严肃。这天，康熙驻于西巴尔台，噶尔丹“乞暂缓师”，康熙知其别有企图，予以拒绝。
第二天，直趋克鲁伦河。康熙帝亲率数人登高执圆镜望远，侦察地形，然后部署兵力。自五月八日至十二日，康熙帝身先士卒，疾追五日，这时，军队粮饷不继，不得已决定改由全部前锋军、满洲火器营兵及亲随护军，组成一支精悍队伍，每人凑足二十日口粮，令其前讨。康熙自出师以来，“不怀安逸，不恃尊崇，与军兵同其菲食，日惟一餐，恒饮浊水，甘受劳苦”，惟欲前进，并不退却一步。这次只因“西路兵及西路饷皆未如约而至”，不得不安排轻骑前进，自率大队回军迎粮。康熙帝预计噶尔丹应难逃脱，“捷音数日内即到”。
大将军费扬古率西路大军星夜前进。因行程遥远，已粮匮马乏，人畜倒毙，不能前进。当闻知皇帝御驾已达克鲁伦，众官兵无不精神振奋，齐言皇上出自深宫，尚且先至敌境，我等敢不冒死前进？所以不用督催，自觉奋勇克敌。
五月十三日，费扬古正率军向昭莫多进发，突然闻报发现厄鲁特蒙古军队的踪迹，立即命令前锋统领硕代、副都统阿南达、阿迪等率前锋迎战，且射且退，把敌人引入昭莫多附近的大军阵前。费扬古立即调兵布阵，严阵以待，等见噶尔丹率万余人进入阵地，立即遵皇帝预授的策略，令官兵步行奋击。从下午一时战至下午六时，难分胜负。费扬古见噶尔丹的后阵不动，知道是妇女、驼畜所在，马上组织了精锐骑队绕到敌人的后面，偷袭其背后，果然敌营大乱。这时，清军上马冲击，乘夜追逐了三十余里，斩敌首级3000余，杀死噶尔丹的妻子阿奴、生擒数百人，俘获大量子女、驼马、牛羊、器物，其中仅牛羊达20余万头。只有噶尔丹率领数骑抢先逃走。
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