在烏蘭布通之戰中，雖然清方取得了勝利，但是因為沒有生擒噶爾丹，康熙帝感到很遺憾。不過他依然在積極部署，且準備了六年，就是為了徹底解決噶爾丹的難題。康熙三十五年（1696年）二月、九月、康熙三十六年（1697年）二月，康熙三度親征噶爾丹，足可見康熙解決這一問題的決心。
再說噶爾丹，自康熙二十九年在烏蘭木通戰敗後，他雖曾向清廷認罪立誓，上書請降，但反叛之心並未改變。不久又在科布多（在今蒙古國西部）集合舊部，並向沙俄乞援，企圖重整旗鼓，東山再起。
康熙三十四年九月，噶爾丹率騎兵3萬，攻入喀爾喀蒙古車臣汗部，隨後沿克魯倫河（今蒙古國境內）東下，進抵巴顏烏蘭（今蒙古烏蘭巴托東南，克魯倫河上遊）。揚言過冬後，將借俄羅斯鳥槍兵6萬，大舉內犯。
在這種形勢下，康熙帝召集群臣商議此事，隻有極少數人讚同征討噶爾丹的主張，八旗滿洲王公大臣皆畏怯退縮，反對用兵，康熙也了解群臣們的顧慮，他說：“朕親曆行間，塞外情形，知之甚悉。自古以來，所謂難以用兵者是也。其地不毛，間或無水，至瀚海等沙磧地方，運糧尤苦。而雨水之際，樵爨頗難，區畫不周，豈可妄動。”但是康熙也知道，一旦噶爾丹得逞，他就會肆無忌憚繼續擴張，且會嚴重威脅到清朝統治。於是，康熙決定，親征噶爾丹。康熙三十五年二月，他下令發兵10萬，分東、中、西3路進擊。由黑龍江將軍薩布素統兵9000組成東路軍，越興安嶺，出克魯倫河，側擊準噶爾軍；由撫遠大將軍費揚古統兵4.6萬組成西路軍，由歸化（呼和浩特）、寧夏越過沙漠，沿翁金河北上，切斷噶爾丹退路；康熙帝自率3.4萬人組成中路軍，出獨石口（今河北省赤城北），經克魯倫河上遊地區北上，切斷噶爾丹退路，與東西兩路軍夾擊噶爾丹軍。
不過群臣都擔心康熙此次禦駕親征的安全，為了避免讓皇帝和噶爾丹正麵交鋒，大臣們謊稱：“傳聞噶爾丹亡去已遠，皇上當徐徐歸還，使西路兵前進。”康熙聽後勃然大怒，斥責道：“不知道你們將朕看成了什麽人，我太祖高皇帝、太宗文皇帝深入行伍，如今才有了現在的根基，朕能退縮嗎？我師既已到此，噶爾丹指日可擒，而且大將軍費揚古於朕已約期夾擊，如果朕現在班師回朝，西路軍何去何從？回京如何對天下交代？”
五月初七，探子來報，稱噶爾丹的確切位置已經鎖定，康熙即親率大軍向克魯倫河進發。
誰知，看到康熙禦駕親征，且率領十萬大軍，他心生畏懼，竟乘夜西撤。康熙帝即命馬思喀為平北大將軍，坐鎮巴顏烏蘭地區；令費揚古西路軍截準噶爾軍退路，設伏襲擊；命內大臣明珠盡運中路軍之糧以濟西師。旋自率前鋒追擊三日，至拖諾山（巴顏烏蘭東）而返。準噶爾軍退至特勒爾濟（今烏蘭巴托東南）時，僅剩萬餘人。
五月十三，清軍西路進抵昭莫多，距特勒爾濟30裏紮營。費揚古以逸待勞，將東陣兵陳於山上，一部沿土拉河布防於西，騎兵主力隱蔽於樹林中，以孫思克率綠營兵居中，旋派400精騎至準噶爾軍營地挑戰，誘其入伏。噶爾丹果然將萬餘騎全部出擊，追至昭莫多，即向清軍陣地猛撲。清軍居高臨下，依險俯擊，弩銃迭發，藤牌兵繼之，每進則以拒馬木列前自固。準噶爾軍初戰受挫，乃下馬力攻，冒矢銃鏖戰，傷亡甚眾，仍不退兵。費揚古見其後陣不動，知為婦女和駝畜所在，即令一部迂回橫衝，一部襲其後陣，準噶爾軍頓時大亂。扼守山頂的清軍乘勢奮擊，上下夾攻，斬殺3000餘，俘獲數百人。噶爾丹妻阿奴可敦率隊衝鋒，戰死。噶爾丹僅引數十騎西遁，餘部逃散。這就是曆史上著名的“昭莫多大捷”。
為了盡早擒拿噶爾丹，康熙著手重新部署西北軍，讓孫思克和博霽率兵和駐紮在西寧的幅都統阿南達會合，於西北各組親密合作，令阿南達於土爾扈特部、和碩特部、準噶爾部、哈密回部各台吉頭人等，四麵甚至哨卡，進而形聯合防線，以阻止噶爾丹再次西討。
十一月初七，阿南達接到密報，說噶爾丹方麵將會派信使前往西北聯絡部署，後阿南達派人截獲這名信使，並從信使所攜帶的信中得知噶爾丹托達賴喇嘛照看其子塞卜騰巴爾珠爾，根據信中提到的情報，請方麵周密部署，終於在哈密附近抓到了噶爾丹之子塞卜騰巴爾珠爾。
此事的噶爾丹陷入了孤立無援的境地，他的親信頭目如阿喇卜灘、格壘沽英等先後降清，另一個親信吳爾占紮卜則指噶爾丹“如不降，當另圖一策，首鼠兩端，而待斃乎”，而噶爾丹除埋怨“初不欲來克魯倫地方，為達賴喇嘛煽惑而來，是達賴喇嘛陷我，我又陷爾眾人矣”外，也一籌莫展。當時留在噶爾丹身邊的僅有阿拉爾拜、訥顏格隆二人，“餘下不及百人，其有餘者，人各有馬駝二、三，而止有一馬者為多，無馬者近三十人，牛羊則全無，捕獸而食，不獲獸則殺馬駝以食”。
然而，噶爾丹豈會心甘情願投降，在西方的一則文章裏這樣記載：“（康熙）皇帝後派去了兩個準噶爾人，他們也被（噶爾丹）接見了，他們向他報告了帝國的實力以及被俘人員等如何在中國得到了一個舒服的收容所。當然，所有這些話，那個驕傲的首領，是聽不進的。據說，他一言不發地中斷了接見。很明顯，他絕沒有泄氣”。
康熙三十六年（1697年）三月初，噶爾丹流竄到阿察阿木塔台地方，“噶爾丹所，有諾顏格隆阿喇兒拜，下有一百餘”。噶爾丹還“曾遣人約丹濟拉，會於阿察阿木塔台”，據一個衛拉特俘虜口述：“噶爾丹下人，但捕獸為食外，並無餘物，視眾人形狀，窘迫已極，問其馬亦甚瘠，膔大者少雲。”
康熙除了讓孫思克、傅霽二人率所留之兵駐守甘州外，還讓由費揚古率領喀爾喀、黑龍江和察哈爾兵，以及蒙古各旗汗王、貝勒、貝子、台吉等情願效力者，出寧夏至郭多裏巴爾哈孫之地。噶爾丹的侄子策妄阿拉布坦也同阿玉哥分別出兵於阿爾泰山以南駐紮，安崗設哨，準備力擒噶爾丹。
康熙帝向來喜歡照顧與進剿並駕齊驅的方法，於是，康熙帝再次遣使持敕諭招降。敕諭的內容主要有三點：
其一，令噶爾丹速來請降，拖延有害無益；
其二，達賴喇嘛早已圓寂，噶爾丹一直以護法為由不過是欺騙大眾；
其三，噶爾丹想要逃亡的目的地，也皆已被清政府知悉。
同時，還諭令厄魯特和丹濟拉眾台吉、寨桑等，促其速降，並表示對一切歸降者，清廷將妥善安撫，使其得所。諸方事宜基本安排就緒後，康熙繼續深入前線戰場。
閏三月十五日，康熙率眾以銀川為出發點，沿黃河西岸北進，二十九日抵達船站，親送八旗前鋒兵和黑龍江兵起程。
四月初一日，康熙閱鳥槍兵，送綠旗兵出征。吸取首次親征西路軍糧餉不繼導致士兵餓死的教訓，康熙下令將五百石米存於狼居胥山附近的驛站，同時調來一千四百多匹戰馬，為返回的部隊補給糧草馬匹。一切就緒，噶爾丹插翅難逃，康熙預言道：“噶爾丹無所逃矣，或降或擒或自盡，否必為我所擒。”
此時，因京中還有頗多事宜需要處理，於是康熙於四月七日班師回朝，不出所料，山窮水盡的噶爾丹“驚聞清軍到來，寢食俱廢，反複思維，無計能逃”，終於在閏三月十三日於阿察阿穆塔台飲藥自盡。噶爾丹終以悲劇英雄劃出了自己政治生命的最後一個句號。
隨後，丹濟拉等人攜噶爾丹的骨灰和噶爾丹之女鍾齊海，率三百戶歸降清朝，康熙聞訊後大為經係，立刻命費揚古選帶精兵前往米丹濟拉處，押護前來，其餘的東路軍和西路軍則全部撤回，平定噶爾丹叛亂取得了最終的勝利。
議政王大臣的奏請下，康熙行拜天禮，朝中眾文武大臣行慶賀禮。康熙親著《剿滅噶爾丹告祭天壇文》，概括了三征噶爾丹的經過，並簡要總結了剿滅噶爾丹的經驗：
第一，他充分肯定了三征之必要性，雖然是皇帝親征，但屢屢遭到大臣們的反對，他不得不獨斷專行，但事實證明，“塞外情形不可臆度，必身曆其境乃有確見”；
第二，三次親征在時間上未間斷，未給敵人過多的休養生息的時間；
第三，前方軍隊和後方糧草供應一定要銜接上，今後若有興師之舉，也應效法此舉；
第四，對蒙古的統治關鍵在於控馭有道；
第五，在用人遣將方麵，他認為被委派的將領要有見機行事的能力，不可行動遲緩，更不可操之過急。
康熙三次親征朔漠，終於平定了準格爾部噶爾丹的分裂勢力，掃除了西北地區的不安定因素，鞏固了北方邊防；同時又以親善和睦的民族政策較為妥善地處理了蒙古各部盟同清政府之間的關係，實現了漠北蒙古的統一，加強了中央政府對厄魯特蒙古和喀爾喀蒙古的統一管轄，穩定了當地的社會秩序。這使我國的北方邊境重獲寧謐，同時還為進一步團結蒙古，保衛國家的領土完整和人民的安全，築成了一道抗擊沙俄侵略的有力屏障，對於抵禦外敵侵犯有重要的意義。
康熙三十六年（公元1697年），清政府將喀爾喀蒙古各部遣送回他們原來的牧場，又在烏蘇裏台和科布多等處設立將軍和參讚大臣，加強對蒙古地區的管轄。