前面提到，北匈奴早就想好了应对联军的策略，只需要以逸待劳，汉军和南匈奴的军队就会大败而去。可惜他们不知道，不止匈奴人了解草原，某些汉人也对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，大将窦固出酒泉（今甘肃酒泉）西进，直到天山，占领北匈奴最肥沃的耕地之一伊吾卢（今新疆哈密），留兵屯垦。另一位大将就是此次和窦宪一起出征的耿秉。耿秉在大军出征以前，就对匈奴地区的风土民情、气候地形等进行了深入的了解。此次出兵，正可以一展所长。耿秉率军出张掖（今甘肃张掖）北进，深入三百公里，直到三木楼山。可惜北匈奴坚壁清野，下令向后撤退，没有受到重大创伤，然而耿秉却因为那一次的从军经历而对大漠草原的环境了解至深。
此次是耿秉第二次深入草原作战，虽然他只是副将，却也深得窦宪的信任。窦宪见大军进退维谷，军中将士多有返回洛阳之意，只能向耿秉咨询部队下一步的方向。耿秉当然明白，其实这一场战役本来就是不必要的，只是若贸然建议部队回去，窦宪不仅会颜面尽失，还会罪上加罪。这当然不是窦宪所希望的，因此，要想这一切都不发生，大军只能继续北进，而且还必须一战而胜。可是如今北匈奴大军逐渐向北而去，大军这么久也没瞧见北匈奴的踪影，又怎么能够一战而胜之呢？
耿秉见军中主将均是有口难言，便神色从容地向窦宪进言。当此之时，正要入秋，北方温度亦开始下降，水草越往北就越稀疏，因此，北匈奴也不能马不停蹄地向北而去，万般无奈之下，只能向南转战，才不至于将自己的军士和百姓困死。耿秉在分析了这些因素之后，建议大军继续北进，同时加紧派出更多的探子，以搜集战略情报，找到北匈奴主力。
窦宪闻言，心怀大畅，不禁感慨道：“耿秉之见，诸将不及也！”
于是，窦宪和南匈奴单于商议，部队继续分开向北进军，同时保持各方的信息通畅，部队队形也需要保持犄角之势，以防在遇上敌军偷袭之时，可以互相驰援。
北匈奴此刻也意识到，汉军如果再不撤退，自己便再不能往北走了，一旦秋天过去，百草萧瑟，牧民的牛羊马以及部队的战马都只能饿死，匈奴就真的会全军覆没了。因此，只有南进，在最短的时间内，找到汉军，才能趁匈奴军士士气旺盛、战力未衰之时，一举攻破敌方联军的围困之势。
连日下来，汉军又向北进军了五百余里，但始终没有看到北匈奴大军的踪迹，军中将士对此也大多生出退却之心，窦宪见此，亦不免忧心忡忡。耿秉见状，急忙向窦宪进言，暂时命令大军停止进军。耿秉考虑到，汉军行了这么久，应该就快和北匈奴大军交锋了，如果此时联军任意一部遇上北匈奴，都难以保证必胜。即使是胜利，也只会“杀敌一千，自损八百”，因此，当务之急，只有将大军合为一部，才能够在遇上匈奴大军之时，保证自己军队战力的绝对优势。
窦宪闻言，感到很有道理，于是令属下向大军各部传递将令，让他们急忙向中军收缩，会师一处。与此同时，窦宪还派出副校尉阎盘、司马耿夔、耿谭率左谷蠡王师子和右呼衍王须訾等一万精骑为先锋，以策应主力大军的安全。不久，几路大军在涿邪山（今蒙古西部、阿尔泰山东脉）会师。
当大军进至稽落山地区时，与北单于统率的主力部队相遇，连日来，汉军一直不见北匈奴大军的影子，乍见之下，大喜过望，主将一声令下，大军如过山蚂蚁一般，潮水般地向北匈奴奔去。反观北匈奴的大军，连日来都在躲避汉军，心中在就留下了害怕的阴影，双方部队激战之下，汉军大败北匈奴军。北匈奴军溃散，单于趁乱遁走。杀得眼红的汉军一直追至私渠比鞮海（今蒙古邦察干湖），斩杀匈奴单于以下一万三千人，获马牛羊等百万多头。温犊须、温吾等八十一部归降，前后共有二十多万人。窦宪、耿秉等将领登上燕然山（今蒙古杭爱山），中护军班固为其刻石作铭，记述其丰功伟业，流芳百世。此刻，北匈奴已经元气大伤，难以翻起什么大浪，于是窦宪派出了吴汛、梁讽携带金帛去招降北单于。招降途中，吴、梁二人又收降一万多人。追上北单于后，吴汛向他宣明汉朝的威德，并赐以金帛。单于于是决定仿效呼韩邪单于，做汉的藩属，保国安民。于是，在单于的带领下，北匈奴残部便随吴汛等率众东返。
《后汉书》记载：“九月庚申，以车骑将军窦宪为大将军，以中郎将刘尚为车骑将军。”
窦宪得到了巨额的封赏，在自己的官署之内大兴土木，雕梁玉柱，穷奢极欲，朝廷众人敢怒不敢言。为了进一步巩固窦氏家族的统治，永元二年（公元90年）夏五月庚戌日，在窦宪和窦皇后的授意之下，分泰山为济北国，分乐成、涿郡、勃海的部分为河间国。丙辰日，封皇弟刘寿为济北王，皇弟刘开为河间王，皇弟刘淑为城阳王，继封已故的淮阳王刘昞的儿子刘侧为淮阳王。并命他们即刻就封，以削弱京师之中窦氏家族独揽大权的阻力。
匈奴南北二部都已经臣服，按理说，窦宪和窦太后现在应该坐享其成就行了，可是，善于权谋的人，是不会甘于寂寞的。因此，窦宪又找到了出兵匈奴的理由。
在窦宪率军击溃北匈奴之后，北单于派遣其弟右温禺辊王奉奏向朝廷贡献。时隔一年之后，窦宪提出，北匈奴只派遣其弟弟入朝，却没有亲自前来，明显是对向汉朝献降没有诚意。在窦宪的操作下，窦太后再一次答应了他要北击匈奴的要求。汉和帝永元二年（公元90年）五月，窦宪派副校尉阎盘率两千骑兵进击屯驻于伊吾卢地区的北匈奴军，旋即将匈奴军击破，占领了伊吾卢地区，车师前后王均遣子入侍，也就是派出质子到洛阳以表示对汉王朝的臣服。
同年七月，窦宪率军出屯凉州，统辖陇西、汉阳、武都、金城、安定、北地、武威、张掖、敦煌、酒泉等郡兵马。并以侍中邓叠为征西将军，做自己的副手。
北单于见其弟右温禺鞮王被汉朝送回，知道汉王朝责怪。为了避免战争，他急忙派出使者入塞通告，自己将准备亲自入朝。消息传到窦宪耳中，窦宪便派班固、梁讽前往迎接。
正在此时，南匈奴看到北匈奴依然对自己具备一定的威胁，特别是北匈奴一旦和汉朝交好，南匈奴在汉朝的地位就会降低，为了彻底地控制大草原，南单于急忙上书请求出兵击灭北匈奴，继而命左谷蠡王师子等率领左右两部八千骑兵出鸡鹿塞。南匈奴军兵分两路，向北挺进。及至两军会合之后。南匈奴大军乘夜包围了北单于本部。此刻汉廷也尚未反应过来，待到木已成舟，汉廷也只能隔岸观火。北单于见自己陷入南匈奴大军的重重包围，心下大惊，亲自率精兵千余人与南匈奴军激战。北单于负伤落马，又慌忙爬上马去，最终仅率轻骑数十余人逃遁而去。南匈奴军缴获了北单于的玉玺、俘获阏氏及儿女五人，斩首八千人，俘虏数千人。至此，南匈奴终于改变了过去一直被北匈奴打压的困境，变得相当强盛，拥有人口三万四千户，总计二十三万多人，拥兵五万多人。
永元三年（公元91年）春，北匈奴遭南匈奴打击后，衰弱已极，窦宪于是想彻底将北匈奴击灭。这年二月，窦宪派遣司马任尚和左校尉耿夔为先锋，率军出居延塞，出其不意地将北单于部包围于金微山，多年下来，北匈奴已然是日薄西山，耿夔所部几乎不费吹灰之力，便大破北匈奴军，俘获北单于之母，斩名王以下五千多人。尽管如此，在族人的竭力保护之下，北单于还是得以逃走，从此不知所向。此次耿夔携任尚率军出塞五千多里，最终大胜而归。这是自汉代出兵以来，最远的一次进军。朝廷为表彰耿夔的功勋，封其为粟邑侯。
驻于蒲类海（今新疆巴里坤湖）地区的北单于弟右谷蠡王于除鞬、骨都候以下数支人，见北匈奴单于大势已去，遂遣使者入塞，希望能够保存北匈奴最后一丝血脉，为大汉朝拱卫边境。窦宪闻言，当即应允，遂上书，请立于除鞬为北单于。朝廷允诺。
永元四年（公元92年），朝廷诏命耿夔出使北匈奴，并授北单于于除鞬玺绶，与南单于同等对待。至此。汉朝终于实现了窦宪和其妹窦太后既征服北匈奴，又让其与南匈奴分而治之的战略企图。
此番接连三次战役，汉军和南匈奴军队都充分利用了北匈奴飘忽不定、行动快速的特点，以远程奔袭、先围后歼、穷追不舍的作战方略获取胜利，使延续数百年的汉匈战争得以胜利结束。
东汉征匈奴之战，历经汉明帝、和帝两代奋战，终于于汉和帝永元三年（公元91年），将北匈奴彻底击败，并于其后两年时间内，彻底灭亡了北匈奴。从而，使汉代北部边患由此暂时解除，中国北方地区遂被东汉王朝统一。东汉王朝这一战争壮举，虽然于当时的社会实际有很大不符，但客观上，则为推动中国版图奠定的历史进程起了不可磨灭的伟大历史作用。