困难等重重阻碍，最终在涿邪山（今蒙古戈壁阿尔泰山）会师。
就在大军厉兵秣马，准备进击之时，斥候传来了至关重要的情报：北匈奴单于的王庭，正驻扎在稽落山（今蒙古人民共和国古尔连察岭一带）。窦宪与耿秉当即定下奇袭之计，他们挑选军中最为精锐的骑兵一万余人，兵分三路，衔枚疾进，向着稽落山疾驰而去。三路骑兵如三支离弦之箭，悄无声息地穿插到北匈奴王庭周围，随即发起了雷霆万钧的突袭。
毫无防备的北匈奴军顿时陷入一片混乱，仓促之间根本无法组织有效的抵抗。汉军与南匈奴、羌胡联军将士奋勇冲杀，刀光剑影之中，北匈奴兵卒尸横遍野。一场激战过后，北匈奴的主力部队被彻底围歼，北单于在亲兵的拼死护卫下，带着残部向北仓皇遁逃。窦宪见状，岂能错失良机？他当即下令大军全线追击，兵分四路，锲而不舍地追杀北匈奴残部。
大军一路追亡逐北，越过安侯河（今蒙古人民共和国鄂尔浑河），所到之处，北匈奴部众或死或降。此役，汉军斩杀北匈奴名王以下的贵族、将士共计一万三千余人，迫降的北匈奴部众更是多达二十余万人，其余残部见大势已去，纷纷向西迁徙，逃离了这片故土。
永元二年（公元90年）五月，窦宪再出重拳，派遣大军奔袭西域的伊吾城（今新疆哈密西）。伊吾城是北匈奴连接西域的战略要地，汉军一举攻克此地，彻底切断了北匈奴与西域诸国的联系，使得北匈奴失去了最后的外援，陷入了孤立无援的绝境。同年七月，窦宪率领汉军主力进驻凉州，虎视眈眈，随时准备给予北匈奴最后的致命一击。
九月，走投无路的北匈奴，终于派遣使者赶赴凉州，向窦宪俯首称臣，请求归降。窦宪表面上应允，派遣史学家班固率领一支队伍出塞，前去迎接北单于，实则早已布下了天罗地网。他暗中下令，命汉将率领南匈奴精锐骑兵八千余人，秘密出鸡鹿塞（今内蒙古杭锦后旗西），直奔涿邪山。抵达之后，这支骑兵再度兵分两路：左路大军取道西海，迂回包抄，直抵河云（今蒙古人民共和国吉尔吉斯湖西南）以西；右路大军则沿着匈奴河（今蒙古人民共和国拜达里格河）北上，渡过甘微河（今
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