康熙三十四年（1695年），噶尔丹率骑兵三万，东掠位于克鲁伦河流域的喀尔喀蒙古车臣汗部，然后沿河而下，进驻巴颜乌兰（今乌兰巴托东南）以东地区，扬言借俄罗斯鸟枪兵六万大举攻漠南。
康熙遂召各大臣会议，再决亲征。康熙三十五年（1696年），清廷发兵约十万，分三路出击。东路由黑龙江将军萨布素率兵九千越兴安岭西进，西路由抚远大将军费扬古、振武将军孙思克率兵四万六千分别由归化（今呼和浩特）、宁夏（今银川），越过沙漠，于翁金河（今蒙古国德勒格尔杭盖西）会师，而后北上，康熙帝玄烨亲率中路军三万四千人出独石口（今河北赤城北）。三路大军约期于克鲁伦河一带歼灭准噶尔军。
三月，中路军先抵克鲁伦河，逼近准噶尔军，东西两军，道阻不至，又讹言俄兵将到，大学士伊桑阿甚是恐慌，力请回銮。
康熙帝怒道：“朕祭告天地宗庙，出师北征，若不见一贼，便即回去，如何对得住天下？况大军一退，贼必尽攻西路，西路军不要危殆么？”
康熙叱退伊桑阿，命禁旅疾趋克鲁伦河，手绘阵图，指示方略。从行大臣，还是议论纷纷，各执一见，康熙帝遣使噶尔丹促他进战。噶尔丹登高遥望，见河南驻扎御营，皇旗漂荡，内环军幔，外布网城，护卫兵统是勇猛异常，遂弃庐帐、器械，乘夜西撤。
翌日，清军渡河，北岸已无人迹，康熙帝即命马思喀为平北大将军，坐镇巴颜乌兰地区，命内大臣纳兰明珠尽运中路军之粮以济西师。旋自率前锋追击三日，至拖诺山（巴颜乌兰东）而返。命内大臣明珠，把中路的粮草，分运西路，接济费扬古军，并传令费扬古西路军截准噶尔军退路，设伏袭击。
噶尔丹奔驰五昼夜，已到昭莫多，昭莫多地势平旷，林箐丛杂。此时清军西路也已进抵昭莫多。费扬古以逸待劳，将东阵兵陈于山上，一部沿土拉河布防于西，骑兵主力隐蔽于树林中，以孙思克率绿营兵居中，旋派四百精骑至准噶尔军营地挑战，诱其入伏。
噶尔丹眼见拥出一彪兵来，统是步行，约不过四百多名，噶尔丹手下尚有万余人，统是百战巨寇，对这四百清兵全不在意。大众争先驰突，清兵不敢抵抗，且战且走，约行五六里，追至昭莫多，两旁小山夹道，清兵从山右趋入。
噶尔丹勒马，遥见小山顶上，露出旗帜一角，大书大将军费字样，便率众上山来争。清兵据险俯击，矢铳迭发，藤牌兵继之。准噶尔军毫不惧怯，前队倒毙，后队继进，幸亏清兵阵前，设列拒马木，阻住敌兵，噶尔丹乃止住东崖，依崖作蔽，一面令部兵举铳上击，声震天地，自辰至午，死战不退。
费扬古见其后阵不动，知妇女和驼畜所在，即令一部迂回横冲，一部袭其后阵。准噶尔后队统是驼畜妇女，只有一员女将，身披铜甲，腰佩弓矢，手中握着双刀，脚下骑着异兽，似驼非驼，见清兵掩杀过来，她竟柳眉直竖，杀气腾腾，领着好几百悍将，截杀清兵，清兵从没有与女将对仗，到了此时，也觉惊异，便与女将战了数十回合，只杀得一个平手。不料噶尔丹竟败下山来，山上清兵，居高临下，用子母炮接连轰击。
但见山脚下烟雾迷漫，尘沙陡起，血肉纷飞，敌骑抱头乱窜，过了一会，山上山下，只留清兵，不留敌骑。清兵停止放炮，天地开朗，准噶尔部兵倒地无数，连穿铜甲的这位女将，也头破血流，死于地下。这员女将其实就是噶尔丹妃阿奴娘子，准噶尔部呼她为可敦。可敦善战，力能抵住清兵，只因噶尔丹闻后队被袭，返顾却退，清兵乘势杀下，敌兵大乱，自相凌藉，遂至可敦战殁，噶尔丹败逃。
费扬古止诸将穷追，收兵回营，当即置酒高会，与诸将道：“今日战胜，都是殷化行总兵之功，殷总兵劝我如此设伏，方得一鼓破敌，还请殷总兵多饮数杯，聊申本帅敬意。”说毕，亲自酌酒，递与殷化行。殷化行双手捧杯，一饮而尽，接连又是两杯，殷化行统共饮干，离座道谢。当时清营中欢声雷动，由费扬古飞报捷音。康熙帝大悦，慰劳有加，仍命费扬古留防漠北，自率禁旅还京。
昭莫多之战后，噶尔丹的处境十分困难，部众四散逃亡。噶尔丹欲回厄鲁特，途中闻报僧格之子策妄阿拉布坦占据准噶尔旧疆，伏尔加河流域的土尔扈特汗国阿玉奇汗与策妄阿拉布坦结成了反噶尔丹联盟，沙皇俄国视噶尔丹已成政治包袱而拒绝接纳。噶尔丹欲归无所，窜居阿尔泰山东麓。康熙帝闻噶尔丹穷蹙，召使归降，噶尔丹仍倔强不至。
康熙三十六年（1697年）二月，康熙鉴于噶尔丹拒不投降，再次下诏亲征。渡过黄河，到了宁夏，命内大臣马思哈，将军萨布素，会费扬古大军深入，并檄策妄阿拉布坦助剿。噶尔丹闻清大军又出，急遣子塞卜腾巴尔珠尔到回部借粮。回部在天山南路，当噶尔丹强盛时，亦归服噶尔丹，不过此次回人将其子拘住，囚献清军。
噶尔丹筹粮无措，不知所为，左右亲信，又相率逃去，或反投入清营，愿为清兵向导。当时留在噶尔丹身边亲信仅有阿拉尔拜、讷颜格隆二人，“其余下属不及百人，牛羊则全无，捕兽而食，不获兽则杀马驼以食”。康熙帝遣了两个准噶尔人去劝降，又被噶尔丹拒绝。噶尔丹自言自语道：“中国皇帝，真是神圣，我自己不识利害，冒昧入犯，弄得精锐丧亡，妻死子虏，今进退无路，看来只好自尽罢了。”遂即服毒而死。
噶尔丹帐下只遗一女，噶尔丹死后，护从丹济拉等火化其遗体。携骨灰与噶尔丹之女钟察海率部准备降清。但策妄阿拉布坦派遣的堪都等尾随而来，将其截住捆绑起来，送交清朝。康熙帝颁诏特赦，命丹济拉为散秩大臣，噶尔丹子塞卜腾巴尔珠尔也得了一等侍卫，俱安插张家口外，编入察哈尔旗。
至此康熙帝平定噶尔丹叛乱之战始告结束，漠北喀尔喀西境千余里地区重新统一于清朝，纳入清朝版图，朔漠悉定，康熙帝铭功狼居胥山而还。