前麵提到，北匈奴早就想好了應對聯軍的策略，隻需要以逸待勞，漢軍和南匈奴的軍隊就會大敗而去。可惜他們不知道，不止匈奴人了解草原，某些漢人也對草原和大漠了如指掌。其中最具代表性的就是耿秉。
十六年前，大將竇固出酒泉（今甘肅酒泉）西進，直到天山，占領北匈奴最肥沃的耕地之一伊吾盧（今新疆哈密），留兵屯墾。另一位大將就是此次和竇憲一起出征的耿秉。耿秉在大軍出征以前，就對匈奴地區的風土民情、氣候地形等進行了深入的了解。此次出兵，正可以一展所長。耿秉率軍出張掖（今甘肅張掖）北進，深入三百公裡，直到三木樓山。可惜北匈奴堅壁清野，下令向後撤退，沒有受到重大創傷，然而耿秉卻因為那一次的從軍經曆而對大漠草原的環境了解至深。
此次是耿秉第二次深入草原作戰，雖然他隻是副將，卻也深得竇憲的信任。竇憲見大軍進退維穀，軍中將士多有返回洛陽之意，隻能向耿秉谘詢部隊下一步的方向。耿秉當然明白，其實這一場戰役本來就是不必要的，隻是若貿然建議部隊回去，竇憲不僅會顏麵儘失，還會罪上加罪。這當然不是竇憲所希望的，因此，要想這一切都不發生，大軍隻能繼續北進，而且還必須一戰而勝。可是如今北匈奴大軍逐漸向北而去，大軍這麼久也沒瞧見北匈奴的蹤影，又怎麼能夠一戰而勝之呢？
耿秉見軍中主將均是有口難言，便神色從容地向竇憲進言。當此之時，正要入秋，北方溫度亦開始下降，水草越往北就越稀疏，因此，北匈奴也不能馬不停蹄地向北而去，萬般無奈之下，隻能向南轉戰，才不至於將自己的軍士和百姓困死。耿秉在分析了這些因素之後，建議大軍繼續北進，同時加緊派出更多的探子，以搜集戰略情報，找到北匈奴主力。
竇憲聞言，心懷大暢，不禁感慨道：“耿秉之見，諸將不及也！”
於是，竇憲和南匈奴單於商議，部隊繼續分開向北進軍，同時保持各方的信息通暢，部隊隊形也需要保持犄角之勢，以防在遇上敵軍偷襲之時，可以互相馳援。
北匈奴此刻也意識到，漢軍如果再不撤退，自己便再不能往北走了，一旦秋天過去，百草蕭瑟，牧民的牛羊馬以及部隊的戰馬都隻能餓死，匈奴就真的會全軍覆沒了。因此，隻有南進，在最短的時間內，找到漢軍，才能趁匈奴軍士士氣旺盛、戰力未衰之時，一舉攻破敵方聯軍的圍困之勢。
連日下來，漢軍又向北進軍了五百餘裡，但始終沒有看到北匈奴大軍的蹤跡，軍中將士對此也大多生出退卻之心，竇憲見此，亦不免憂心忡忡。耿秉見狀，急忙向竇憲進言，暫時命令大軍停止進軍。耿秉考慮到，漢軍行了這麼久，應該就快和北匈奴大軍交鋒了，如果此時聯軍任意一部遇上北匈奴，都難以保證必勝。即使是勝利，也隻會“殺敵一千，自損八百”，因此，當務之急，隻有將大軍合為一部，才能夠在遇上匈奴大軍之時，保證自己軍隊戰力的絕對優勢。
竇憲聞言，感到很有道理，於是令屬下向大軍各部傳遞將令，讓他們急忙向中軍收縮，會師一處。與此同時，竇憲還派出副校尉閻盤、司馬耿夔、耿譚率左穀蠡王師子和右呼衍王須訾等一萬精騎為先鋒，以策應主力大軍的安全。不久，幾路大軍在涿邪山（今蒙古西部、阿爾泰山東脈）會師。
當大軍進至稽落山地區時，與北單於統率的主力部隊相遇，連日來，漢軍一直不見北匈奴大軍的影子，乍見之下，大喜過望，主將一聲令下，大軍如過山螞蟻一般，潮水般地向北匈奴奔去。反觀北匈奴的大軍，連日來都在躲避漢軍，心中在就留下了害怕的陰影，雙方部隊激戰之下，漢軍大敗北匈奴軍。北匈奴軍潰散，單於趁亂遁走。殺得眼紅的漢軍一直追至私渠比鞮海（今蒙古邦察乾湖），斬殺匈奴單於以下一萬三千人，獲馬牛羊等百萬多頭。溫犢須、溫吾等八十一部歸降，前後共有二十多萬人。竇憲、耿秉等將領登上燕然山（今蒙古杭愛山），中護軍班固為其刻石作銘，記述其豐功偉業，流芳百世。此刻，北匈奴已經元氣大傷，難以翻起什麼大浪，於是竇憲派出了吳汛、梁諷攜帶金帛去招降北單於。招降途中，吳、梁二人又收降一萬多人。追上北單於後，吳汛向他宣明漢朝的威德，並賜以金帛。單於於是決定仿效呼韓邪單於，做漢的藩屬，保國安民。於是，在單於的帶領下，北匈奴殘部便隨吳汛等率眾東返。
《後漢書》記載：“九月庚申，以車騎將軍竇憲為大將軍，以中郎將劉尚為車騎將軍。”
竇憲得到了巨額的封賞，在自己的官署之內大興土木，雕梁玉柱，窮奢極欲，朝廷眾人敢怒不敢言。為了進一步鞏固竇氏家族的統治，永元二年（公元90年）夏五月庚戌日，在竇憲和竇皇後的授意之下，分泰山為濟北國，分樂成、涿郡、勃海的部分為河間國。丙辰日，封皇弟劉壽為濟北王，皇弟劉開為河間王，皇弟劉淑為城陽王，繼封已故的淮陽王劉昞的兒子劉側為淮陽王。並命他們即刻就封，以削弱京師之中竇氏家族獨攬大權的阻力。
匈奴南北二部都已經臣服，按理說，竇憲和竇太後現在應該坐享其成就行了，可是，善於權謀的人，是不會甘於寂寞的。因此，竇憲又找到了出兵匈奴的理由。
在竇憲率軍擊潰北匈奴之後，北單於派遣其弟右溫禺輥王奉奏向朝廷貢獻。時隔一年之後，竇憲提出，北匈奴隻派遣其弟弟入朝，卻沒有親自前來，明顯是對向漢朝獻降沒有誠意。在竇憲的操作下，竇太後再一次答應了他要北擊匈奴的要求。漢和帝永元二年（公元90年）五月，竇憲派副校尉閻盤率兩千騎兵進擊屯駐於伊吾盧地區的北匈奴軍，旋即將匈奴軍擊破，占領了伊吾盧地區，車師前後王均遣子入侍，也就是派出質子到洛陽以表示對漢王朝的臣服。
同年七月，竇憲率軍出屯涼州，統轄隴西、漢陽、武都、金城、安定、北地、武威、張掖、敦煌、酒泉等郡兵馬。並以侍中鄧疊為征西將軍，做自己的副手。
北單於見其弟右溫禺鞮王被漢朝送回，知道漢王朝責怪。為了避免戰爭，他急忙派出使者入塞通告，自己將準備親自入朝。消息傳到竇憲耳中，竇憲便派班固、梁諷前往迎接。
正在此時，南匈奴看到北匈奴依然對自己具備一定的威脅，特彆是北匈奴一旦和漢朝交好，南匈奴在漢朝的地位就會降低，為了徹底地控製大草原，南單於急忙上書請求出兵擊滅北匈奴，繼而命左穀蠡王師子等率領左右兩部八千騎兵出雞鹿塞。南匈奴軍兵分兩路，向北挺進。及至兩軍會合之後。南匈奴大軍乘夜包圍了北單於本部。此刻漢廷也尚未反應過來，待到木已成舟，漢廷也隻能隔岸觀火。北單於見自己陷入南匈奴大軍的重重包圍，心下大驚，親自率精兵千餘人與南匈奴軍激戰。北單於負傷落馬，又慌忙爬上馬去，最終僅率輕騎數十餘人逃遁而去。南匈奴軍繳獲了北單於的玉璽、俘獲閼氏及兒女五人，斬首八千人，俘虜數千人。至此，南匈奴終於改變了過去一直被北匈奴打壓的困境，變得相當強盛，擁有人口三萬四千戶，總計二十三萬多人，擁兵五萬多人。
永元三年（公元91年）春，北匈奴遭南匈奴打擊後，衰弱已極，竇憲於是想徹底將北匈奴擊滅。這年二月，竇憲派遣司馬任尚和左校尉耿夔為先鋒，率軍出居延塞，出其不意地將北單於部包圍於金微山，多年下來，北匈奴已然是日薄西山，耿夔所部幾乎不費吹灰之力，便大破北匈奴軍，俘獲北單於之母，斬名王以下五千多人。儘管如此，在族人的竭力保護之下，北單於還是得以逃走，從此不知所向。此次耿夔攜任尚率軍出塞五千多裡，最終大勝而歸。這是自漢代出兵以來，最遠的一次進軍。朝廷為表彰耿夔的功勳，封其為粟邑侯。
駐於蒲類海（今新疆巴裡坤湖）地區的北單於弟右穀蠡王於除鞬、骨都候以下數支人，見北匈奴單於大勢已去，遂遣使者入塞，希望能夠保存北匈奴最後一絲血脈，為大漢朝拱衛邊境。竇憲聞言，當即應允，遂上書，請立於除鞬為北單於。朝廷允諾。
永元四年（公元92年），朝廷詔命耿夔出使北匈奴，並授北單於於除鞬璽綬，與南單於同等對待。至此。漢朝終於實現了竇憲和其妹竇太後既征服北匈奴，又讓其與南匈奴分而治之的戰略企圖。
此番接連三次戰役，漢軍和南匈奴軍隊都充分利用了北匈奴飄忽不定、行動快速的特點，以遠程奔襲、先圍後殲、窮追不舍的作戰方略獲取勝利，使延續數百年的漢匈戰爭得以勝利結束。
東漢征匈奴之戰，曆經漢明帝、和帝兩代奮戰，終於於漢和帝永元三年（公元91年），將北匈奴徹底擊敗，並於其後兩年時間內，徹底滅亡了北匈奴。從而，使漢代北部邊患由此暫時解除，中國北方地區遂被東漢王朝統一。東漢王朝這一戰爭壯舉，雖然於當時的社會實際有很大不符，但客觀上，則為推動中國版圖奠定的曆史進程起了不可磨滅的偉大曆史作用。