1689年年底，噶尔丹带了两万人离开科布多大营，东征喀尔喀。
噶尔丹入喀尔喀，表面目的是寻仇，索取土谢图汗、哲布尊丹巴，深层动机则是劫掠牲畜与人口。进入喀尔喀境内后，噶尔丹军四处劫掠，掠夺了大量人口牲畜。噶尔丹喋喋不休地向康熙索要土谢图汗，更想将喀尔喀部要回，以弥补漠北草原的荒芜状况。噶尔丹不断向康熙提出，“将喀尔喀七旗发回于故土”，只是清国怎会让他吞没蒙古各部。
1690年三月，清军前方斥候发来探报，噶尔丹进入喀尔喀后，如入无人之境，沿途抢劫畜牧与人口，喀尔喀人纷纷南逃。康熙派出阿喇尼前往前方处理战事，收集情报。康熙指示阿喇尼，如果噶尔丹尾追南逃的喀尔喀人，可以调兵防卫。除了调动八旗士兵外，清廷也命令已依附清廷的车臣汗部领袖吴默特，配合清军迎战噶尔丹。车臣汗部与噶尔丹有着深刻大恨，自然愿意出力。
理藩院中精挑细选出了一名得力官员，派往策妄阿喇布坦营中宣读诏书。虽然不知道策妄阿喇布坦为何与噶尔丹闹翻，康熙也对他的遭遇表达了深刻的同情，“朕甚怜之”，又赐给了各色绸缎二十匹，作为安慰。康熙遣使安抚，目的自然是与策妄阿喇布坦结盟，共同对付噶尔丹。策妄阿喇布坦后面的表现，也没有让康熙失望，对得起二十匹绸缎的价格。
噶尔丹多年征战，杀敌无数，各路仇家此时纷纷出山，投奔清廷，好报仇雪恨。噶尔丹叔叔楚琥尔的儿子，带领子弟十余人，弓箭手五百余人，“来投皇上”。扎萨克图汗的儿子被噶尔丹软禁在阿尔泰山之南，也乘机逃跑，投奔清国效力。
此年四月，一队八九十人的俄罗斯使团抵达北京宫廷，一方面他们带来了将切实履行《尼布楚条约》的信件，另一方面则是为了兜售六十车的皮毛。针对噶尔丹与俄罗斯联盟的传言，清廷召见了在京的俄罗斯使者，提出警告。并命俄罗斯使者派出善驰者二人，至尼布楚告诫远东俄军头目，不得轻举妄动。
至五月，阿喇尼查探到噶尔丹军队主力的方向。在当日条件之下，奔腾在草原上的骑兵，如同在大海里游曳的鱼，很难捕捉其踪迹。阿喇尼也得到未经证实的消息，噶尔丹即将请兵于俄罗斯，会攻喀尔喀。
噶尔丹领着孤军，带了掳来的人口、牲畜及辎重，一路南下，各处的喀尔喀部则纷纷南迁。六月十四日，噶尔丹抵达乌尔会河东岸，劫掠人马。喀尔喀车臣汗投奔清国之后，即被安置在此处，噶尔丹气势汹汹杀来，找老仇家寻仇。
康熙以兄裕亲王福全为抚远大将军，出古北口，以弟恭亲王常宁为安北大将军，出喜峰口，定于七月初四出兵。从北京出兵到乌尔会河需要二十天，此时在前方的只有阿喇尼所部。康熙知道阿喇尼统领的兵力薄弱，不足以与噶尔丹对抗。兵贵神速，康熙不停催促早日出兵，可此时军中缺少火器、马匹，需要到各处马场取马，至各地调集火器。尽管清廷费了很大心思，还是未能提前出兵。
在清军援军抵达之前，阿喇尼已经出兵前往乌尔会河（今名乌拉盖河）。六月二十一日黎明，轻装上阵的两万清军抵达河畔，目力所及范围内，可以看到噶尔丹大营。
阿喇尼从军中精选了两百名蒙古勇士，作为前锋，攻打噶尔丹大营。又出动五百名喀尔喀蒙古兵，准备从后方驱赶噶尔丹掠夺的人口与牲畜，以扰乱其后路。不想喀尔喀蒙古兵跑到后方后一看，这里被所拘押的都是自家的亲人，还有大批自家的牲畜。喀尔喀蒙古兵不是忙着去和失散的亲人抱头痛哭，就是拉着自己的牲畜往回走，也没谁想起来要去找噶尔丹拼命复仇。
噶尔丹随即全军出动，占据高处列阵，军中张绿色大纛（“纛”dào即军旗），上书喇嘛经咒，迎风招展。噶尔丹将全军分为左右两翼，同时散出骑兵，预备包抄。噶尔丹列阵时，呈现出一个口袋型，以待清军钻入。口袋型布阵，不利于防守，但噶尔丹一来占据高处，二来又大量火枪可以依赖，也不惧清军。
此时的战争，已与当年成吉思汗时有所不同，由于火器的运用，骑兵、步兵战法也有了改进。噶尔丹军前布阵的都是火枪兵。南疆的精湛工匠，俄罗斯的军火供应，使准噶尔军中能大量装备火器。
清军火枪营此时尚未赶到战场，在进攻中处于下风，只能以密集阵营向前推进，进入口袋。清军以喀尔喀兵为前锋，喀尔喀人在噶尔丹的屡次打击下，早已丧失斗志。此时被清军放在前方做肉盾，更无心拼命了。噶尔丹军一阵火枪射击之后，喀尔喀兵一哄而散。
凭借着弓、矛，清军与噶尔丹从黎明打到了午后，此时噶尔丹派出的骑兵，绕至清军两翼包抄。清军大败，此战中，清军一名统帅当场毙命，另一名统帅在十五人掩护下逃窜，清军大车五百辆及全部辎重被缴获。
俄国使者基比列夫，随后跟着噶尔丹到交战现场观看，他在报告中写道“博硕克图汗将中国兵杀得一个不剩。”不过基比列夫在报告中也指出，“草原上被博硕克图汗洗劫一空，残余的蒙古人在山沟与草原上饥饿流浪，并且人相食。”
战后噶尔丹进入乌珠穆沁盆地，得到了充足补给，乌珠穆沁有内蒙最肥沃的牧场，饲养着大批肥壮的驮马牛羊。在此处，噶尔丹补充了大批的骆驼、毡子。噶尔丹又将眼光盯上了肥硕的乌兰布通，此处牲畜弥漫山谷间，当时人记载，历行八日，犹络绎不绝。
乌尔会河清军惨败，导致喀尔喀蒙古更加畏惧噶尔丹，四处逃散，沿途劫掠。北方边境，一片混乱。清军是第一次与噶尔丹交战，大败之后，产生畏惧心理。康熙也令各处守将，收集兵马，严禁擅自开战。
噶尔丹则豪气万千，不再畏惧康熙：“今虽临以十万众，亦何惧之有。”
噶尔丹领兵深入，进逼至京师七百里的乌兰布通。京师震动，人心惶惶，城内各处戒严，旗人牛录带了枪手八名巡逻。京师内外商店关门，米价暴涨至三两。
噶尔丹至乌兰布通后，见此地山林深堑，遂依险扎营，坐待清军。清军方面，鉴于上次阿喇尼战败的教训，“多发精兵，尽发火器。”康熙从盛京、满洲、西安及京师，抽调劲旅作为主力，喀尔喀各部则用作辅攻。清军抽调了各种大炮，如子母炮、行炮、铁心炮等，以在火力上压倒噶尔丹。用于运输的骆驼有三千，马匹八百，战马更不计其数。
由于皇帝出征，牵涉大局，康熙按住了自己亲征的念头，命长兄福全代替自己出征。清军将领队伍极其豪华，兄裕亲王福全，弟恭亲王常宁，皇长子胤禔，简亲王雅布，内大臣佟国纲、佟国维、索额图、明珠、阿密达等。出兵时，清军营盘四十座，连营四十里，阔二十余里，首尾联络，屹如山立。
七月二日，大军出征。出征时的仪仗队伍威严雄武，却没有鼓角吹奏，多少有点悲凉意味。在最前列的是十匹引马，马鞍马辔都很朴素，皇帝、皇子走在前面，人然后是手持朱漆点金的兵刃，矛戟下有豹尾作为装饰。沿途经过的道路，都扫除干净，洒过水。城门、店铺一律关闭，禁止行人同行，士兵腰悬刀剑，手持净鞭，驱散行人。
京师之中的康熙，虽没亲自到前线指挥，也按耐不住，出塞围猎。走到博洛河屯（河北隆化）时，患上重感冒，坚持了三日之后，因为病情加重，不得不返回京师。康熙此时返回京师，在民间被风传为被噶尔丹军用箭射伤，至日本长崎进行贸易的中国商船，更将谣言传到了日本。
虽然不能至前方，可康熙的心时刻都在挂念着前方。噶尔丹带来的威胁，超过了他曾经的敌人鳌拜、吴三桂、台湾的郑氏家族。康熙之所以如此重视噶尔丹，在于他知晓蒙古骑兵无与伦比的战斗力，只是蒙古各部多年的内耗，让他们失去了南下经略的机会。如果噶尔丹一统蒙古各部，带着狼虎般的健儿南下，八旗子弟能抵挡多久，是个极大的疑问。
乌兰布通距离北京七百里，开战后的第三日，康熙收到前方统帅福全的战报，称此战大捷。
焦虑万分的康熙，看完奏报之后，露出了难得的笑容。当日他焚香谢天，不胜喜悦。他指示福全，噶尔丹孤军深入，清军在人数装备上都占优势，应该抓住机会，彻底将其铲除，“一举永清，勿留遗孽”。
然而，福全的第二份奏报，却让康熙大为疑惑，既然清军取胜，噶尔丹据险困守，怎么还会派出使臣前往清军营中，索要土谢图汗和哲布尊丹巴？更奇怪的是，这名使臣竟然是达赖派在噶尔丹军中的济隆呼图克图，他带着七十名弟子，旁若无人地进入清军大营。若是福全取胜，济隆呼图克图入清军营中，只能是低声下气地帮噶尔丹求和，怎么会高调地要人？而福全的应对则更为失策，他竟然“檄各路领军诸王大臣，暂止追击。”
康熙开始愤怒，福全必然在奏报中有所隐瞒，如果八月初一大获全胜，则断然不会出现第二分奏报中的情况。乌兰布通之战，真相到底是什么？
七月四日，常宁从北京出发，出喜峰口。七月六日，福全领兵从出发，出古北口。常宁军负责西路，与福全形成两翼包抄态势，防止噶尔丹西窜。另有沙津、班第、苏尔达等军，一路迂回，负责切断噶尔丹退路。
七月二十四日，阿喇尼军与福全军会合。马思喀所带领的一支精兵，此前也与福全会合。至常宁军队抵达后，清军将士加上仆役，总数约十万。
清军主力于七月二十七日赶到乌兰布通，双方相距仅三十里。清军各营随即挖掘壕沟，修建营垒，严密防守，士披甲胄，马不卸鞍，严阵以待。马思喀带了炮火营作为前锋，与噶尔丹军哨兵彼此相望，此后三日，双方对峙，未曾动干戈。
二十九日，噶尔丹军中派了一名喇嘛，到清军大营前求见，称有事前来，被福全拒绝，又号令三军，严整旗鼓，准备开战。
八月一日黎明，清军全军出动。太阳升起时，遥遥看见噶尔丹军已在山岗上布阵。
山岗之上，噶尔丹军以骆驼布阵，上千匹骆驼被困住四足后，卧于地面。骆驼背上加了箱垛，用毡布吸水，覆盖于箱垛之上，使之形成城垛形状。在骆驼及箱垛间隙之间，士兵将火枪，长矛准备好，等着清军的进攻。
清军从南到北布阵，密密麻麻集中于原野之上。清军以马思喀、李林隆打头阵，二人所统带的都是火器营。
此次清军火器营装备有各式大炮，准噶尔军中则缺乏大炮这类武器。因为行军需要，清军只能携带小型火炮。开战后，清军在阵前以大炮先行轰击，被铁弹击中的骆驼，血肉四绽，毙命之后，则成为噶尔丹军的掩体。
清军战前做了充分准备，从各地调出火枪营至前方。抽调直隶巡抚、天津镇三屯营协标下火器营官兵一千，汉军鸟枪兵一千五百，又增派八旗火器营兵一千人。清军阵中的炮兵、鸟枪兵，数字在五千余名。
此时清军所用的火枪，仍然是用火绳点燃的火绳枪，至于更为先进的燧发枪，只能深藏在宫廷之中，供皇帝、皇子们狩猎时使用。噶尔丹通过俄国人的关系，倒是弄到了一些燧发枪，燧发枪的好处是不畏风雨，装填速度快。
清军在火器数量上占据了绝对优势，但这种优势并未能转化为战场上的优势。噶尔丹的布阵相当高明，他占据了山岗，山岗侧翼又有泥沼，不利于清军机动迂回。要想突破，只能正面进攻，而在正面，又有一条河流作为天然屏障。
清军在正面只能依赖于火炮的轰击，予噶尔丹军以杀伤。马思喀战后记载了当时的战况：“炮火齐发，自未至戌，声震天地。”
清军在前线的大炮不超过十六门，且都是安置在马背上可以快速行军的小型火炮。至于炮击的效果，以当时的制炮技术，很难达成炮火持续射击，战果有限。一排排的鸟枪手列在前线，配合大炮，隔河射击。开战后，清军声势浩大，战阵看起来场面惊人，但却未能打开战局，噶尔丹军巍然不动。
噶尔丹立在乌兰布通山峰峰顶，居高临下，指挥作战。
西藏来的济隆呼图克图，此时也派上了大用场，他不停地为噶尔丹军祭旗诵经祈祷，鼓舞士气。看着统帅威风凛凛，又有高僧作法助力，噶尔丹军无比亢奋，战志高昂。士兵们忙碌地进行着装火药，填弹，射击，至于精准度，在这种战事之中，根本就不被考虑。漫天撒下的弹丸，总能捕捉到清军士兵。只是噶尔丹军没有意料到，在当日战事收尾时，他们的枪弹，收获了一个高价值目标。
清军在正面主攻时，分兵从左右翼进攻，以突破防线。右翼清军进攻后，被泥沼所阻滞，不得不退回原处。左翼由康熙帝的亲舅舅，内大臣佟国纲、佟国维指挥。
左翼沿着萨里克河畔发起攻势，进攻时，佟国纲在河岸上被俄国人制造的滑膛枪给击中，当场阵亡。主将战死后，左翼的攻势停息，猛将格斯泰此时展示了他的勇猛。他跨上了一批雄峻的白鼻马，挥舞战刀，冲入敌军阵营，左冲右击，来回决荡，出而复入三次。格斯泰的好运并没有维系多久，不久他被团团围住，力战身亡。格斯泰属满洲瓜尔佳氏，在平定三藩之乱中立下战功。出师之前，康熙赐马，格斯泰挑了匹白鼻马。有人告诫他，白鼻马对主人不利，格斯泰云：“效命疆场，吾夙愿也。何忌？”
前锋统领迈图，也战死于冲锋之中。清军看着主将接连战死，群情激愤，卖命死战，踊跃递进，在掌灯时分杀入噶尔丹军营垒。此时夜色已黑，噶尔丹军随即退至山顶，依靠山险，乱放鸟枪，以火力阻滞清军进攻。清军力战已殆，内大臣阿密达力主撤兵，并扬言皇上不会因为撤兵而杀我等。全军仓皇撤退时，“进退之际，海螺未鸣。”
此战中，前方的大臣如索额图、明珠等人，表现平平。大臣们甚至挑选了军中勇士数百人，用作近身防护。勇士以为将自己挑选出来是为了激战或追击，不想竟然是用做私人保镖，共生怨恨。更有正白旗副都统色各印，临战之时，两腿发抖，不肯上马作战。色各印的家人看不下去，愤愤道：“身为二品大臣，如此临阵退却，归去何以见人？”就硬扶色各印上马，不料色各印竟然从马下躺倒在地装死，又一头钻入草丛中不肯出来。家人无奈，只好让他回营。回营后色各印仍战栗不已，披了一身甲胄，钻到被子中去，一夜都没敢起床。“伊等所管兵丁，无不耻笑。”
福全为了掩饰败绩，在战报中称“大败贼众，斩杀甚多”，甚至称噶尔丹可能死于战事中。
次日，噶尔丹整理军队，据险坚守。福全在昨日吃了大亏，佟国纲又战死，心中悲戚，也无心在发动强攻，就让全军休息。噶尔丹此时已是强弩之末，虽然他在八月初一的战事中占据了优势，但从全局来看，清军已对他形成了包围。而他孤军深入，本就是兵家大忌，补给后勤都存在困难，可以第一次战役取胜，但难以在维持第二次战事。此时他做出了最清晰的判断，即迷惑福全，迅速撤退。
八月初二，噶尔丹派人至清军军营中谈判，并表示过一二日，济隆呼图克图将来讲礼修好。
八月初四，济隆呼图克图带了七十名弟子进入清营，称噶尔丹部下无知，入界抢掠人畜。只是因为仇恨土谢图汗，才有此错。济隆呼图克图保证此后噶尔丹不敢行劫，也断不会远去。
福全做出了错误判断，以为难以强攻噶尔丹，只有待援军到来后，一起夹击，方能灭此狡寇。看到济隆呼图克图来了，他内心大喜，以为可以拖延噶尔丹，等待援军。福全随即“发印文檄各路领军诸王大臣，暂止勿击。”
八月四日当夜，噶尔丹利用夜幕掩护，带领军队迅速逃走，沿途烧荒，以绝追骑。负责截断噶尔丹军后路的沙津、班第、苏尔达等军，遵守了福全“暂止勿击”的命令，使噶尔丹得以逃脱。噶尔丹跑了之后，福全还天真地派了侍卫吴丹，护送济隆呼图克图去找噶尔丹，让他不可以跑的太远了。
吴丹护送济隆呼图克图追上噶尔丹后，噶尔丹跪在佛像前发誓：“自此不敢犯喀尔喀”。可刚发完誓，他就劫掠了蒙古部落，“抢去羊二万余，牛马一千余。”入了套的狡兔逃逸，此后再想猎杀，就得深入草原千里。
乌兰巴通之战，清军以密集阵形发起攻击，遭到巨大损失。在发动攻势时，各路缺乏联系，进退不一。乌兰布通战后一个月，康熙下令八旗兵进行整训，于旷阔之地，布阵鸣笳，教演步伐。
九月，国舅佟国纲的灵柩运回京师，此时康熙抱病，指示皇子出城去迎接灵柩，同时表示自己一定要亲自前去吊唁。
佟国纲已经火化，骨灰装载一匣中，以富丽的金丝锦缎，安置在黑缎包裹密封的灵柩之内。入城时，以八人抬棺，十骑手执红缨枪与绣有黄龙的大旗在前方引导，八匹引马各成一队，尾随其后。死者的子侄身穿孝服，乘马护送灵柩，八名仆从步行尾随。
皇长子、皇四子，奉了康熙的命令，带了大批官僚前来迎接。抬棺的杠伕在皇子面前停下了脚步，皇子扶着灵柩一通哀哭，随后上马尾随送葬行列，进入祭棚。灵柩安放好后，皇长子在供桌前跪下，将一杯酒高举过头，倒在灵柩前的大银杯之中，叩首着地致祭。在佟国纲子侄表示谢意之后，皇子们上马返京。
次日，灵柩进京。沿途街道，都经过洒扫，两旁站有士兵。佟国纲宅院前，已有大批家属在等待，看到灵柩之后便开始嚎啕大哭。灵柩进入宅子后，每过一道大门，就要烧一次纸钱。院子中搭建起了大棚，摆好了祭台，燃上了香烛，祭台上摆满了果品。皇长子此日代表皇帝，再次前来祭祀。
十一月，福全班师回朝。虽然对外宣称，此战大获全胜，可真相如何，康熙心知肚明。康熙下令，全军停驻于朝阳门外听勘，不许进城。随同福全出征的大臣将领二十三人，除了战死的佟国纲与迈图二人外，其余二十一人均被“依议治罪”。只有佟国纲指挥的火器营，攻入敌阵的左翼官兵被叙为头等军功。
康熙对于福全未能发动攻势大为愤怒，指责他擅自收兵，“以致穷寇遁逃,且未经请旨,率兵擅回哈吗尔岭内”，“伊等不战，乃大误也”。此战之后，福全退出政坛，不再担任重要职务，直到六年后，康熙亲征噶尔丹时，方才随同出征。
乌兰布通之战后，桑结嘉措想拍马屁，以达赖喇嘛名义请赐康熙皇帝尊号“大慈普度息争锡福至圣上乘文殊皇帝”。康熙皇帝以“喀尔喀残破，厄鲁特丧败，朕心甚为隐痛，有何可贺而受尊号乎”不受，因为他知道，在乌兰布通，清军没有取胜。
在战术层面，清军于乌兰布通战败，但此战之后，噶尔丹实力被削弱，侄儿策妄阿喇布坦趁机东征，攻掠科布多，占领天山南路。战后，噶尔丹元气大伤。撤军途中又遭遇瘟疫，“日以北徙，人畜屡毙”，此次瘟疫持续了将近一年，噶尔丹的主力死伤殆尽，再无力对清廷发起挑战。噶尔丹也开始后悔此番南下，曾道：“此行非吾意，乃达赖使者言，南征大吉，是以深入。”
未能捕杀噶尔丹，康熙深为遗憾。六年之后，康熙仍然感叹道：“乃竟中贼计，致噶尔丹遁走。彼时因朕躬违和，未得亲至，失此机会，至今犹以为憾。”
六年之后，康熙将御驾亲征噶尔丹。“四月天山路，今朝瀚海行。积沙流绝塞，落日度连营。”
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