烏蘭布通之戰對準噶爾軍造成的傷亡，遠沒有回師撤退路上爆發的瘟疫和飢餓導致的減員那麼大。同時，策旺阿拉布坦趁著噶爾丹遠征的時機引兵偷襲科布多，留守噶爾丹大本營的阿奴夫人和丹津鄂木布以下大批部眾被俘。
1691年初，當噶爾丹率領僅剩的數千殘兵敗將，歷盡千辛萬苦終於回到科布多大本營時，映入他眼帘的是一片殘破的景象。
所幸，河套以西阿拉善地區的部分準噶爾、和碩特部落還傾向噶爾丹。西藏教廷在桑傑嘉措的主持下，瞞著清廷偷偷將從青海徵集的糧食、牲畜等各種物資源源不斷地送到阿拉善，再由阿拉善送到科布多。
除此之外，桑傑嘉措還不斷地派遣使者調停噶爾丹和策旺阿拉布坦之間的矛盾，最終使二者暫時握手言和簽下協議，約定雙方各守疆界互不侵犯。
策旺阿拉布坦將扣押的阿奴夫人和部分人畜送還噶爾丹。在穩定了西部和獲取大量物資之後，噶爾丹重整旗鼓，派遣部眾分駐在科布多境內土壤較肥沃的烏蘭固木、空奎等地屯田，儲存戰備物資。
表面上噶爾丹屢屢遣使向清朝認錯，甚至恢復了對清朝的「朝貢」，但實際上他已經做好再次和清朝開戰的準備。清朝方面，自從烏蘭布通一戰之後，康熙皇帝也開始為再次和噶爾丹作戰精心準備。
1691-1695年間，為躲避噶爾丹侵擾，外蒙古左、中、右三路的札薩克圖汗部、土謝圖汗部、車臣汗部的部眾仍滯留於漠南，清朝不能立即經營漠北，只能先盡力完善漠南到內地的各項基礎設施建設。
康熙皇帝加強了自齊齊哈爾、瀋陽到山西右衛城、內蒙古歸化城等北方沿線各戰略要地的駐軍增派、武備配置和後勤保障的工作力度。
截至1692年，清朝在內蒙開闢了五條官道以利戰時運輸，每條官道所經各處要地設置大小不同的驛站，長城內驛站由滿、漢官兵駐守，長城外驛站由蒙古族官兵駐守。
五條官道所經之地及驛站數量情況如下：
1.喜峰口——科爾沁——昭烏達盟——哲里木盟——扎費特旗，總長2000里，驛站18個；
2.古北口——熱河——承德——昭烏達盟——烏珠穆沁旗，總長1600里，驛站16個；
3.獨石口——察哈爾左翼——多倫諾爾——昭烏達盟——哲里木盟——浩齊特部，總長1800里，驛站15個；
4.張家口——歸化城——察哈爾左翼——蘇尼特旗——哲里木盟——濟爾哈圖，總長1500里，驛站18個；
5.殺虎口——歸化城——伊克昭盟——鄂爾多斯草原——阿拉善——烏蘭察布盟烏拉特旗，總長1300里，驛站12個。
1691年，康熙皇帝按照先前設立八旗漢軍火器營的做法，在滿洲八旗中也抽調官兵組建了兵員總數達七千八百多人的八旗滿洲火器營。
營內分設馬上鳥槍兵(由鳥槍護軍、驍騎營合編)和炮兵，每旗配屬子母炮五門；戰時則與漢軍火器營混合編組作戰。
烏蘭布通之戰中，清軍陣形過於密集，導致部隊在準噶爾軍的槍炮轟殺下傷亡極大，康熙皇帝為此特別指示火器營各級軍事主官對原有的「連環本柵」戰術做出變革：
一是以鳥槍兵居中，炮兵排列於兩側，改變鳥槍手和炮兵分別列陣的傳統，將鳥槍手、炮手整合為一陣；
二是強調滿洲、漢軍火器營配合，八旗滿洲的馬上鳥槍手分列漢軍火器營兩翼，使用刀矛弓箭等冷兵器的驍騎營押後陣；
三是細化指令，鳴角吹海螺後擊鼓，以鼓聲響起的次數來指示大隊前進的步數，以鳴鑼的方式指示槍炮射擊的方向，提高命中率；
四是連環射擊完畢後，開鹿角為門，驍騎營陸續馳出，逐隊而出，列陣衝鋒。這一結合了火器威力和騎兵衝擊力的新戰術很快就有機會在戰場上體現其作用。
1695年，經過幾年的準備，噶爾丹率領好不容易集合起來的兩萬多兵馬，再度東侵。這一次噶爾丹吸收了1690年孤軍深入的教訓，採取了新的策略。
他一邊對外宣稱自己請來了六萬俄國槍兵，一邊派出多名使者前往漠北及漠南各蒙古王公處搞策反工作。對於清朝派往策旺阿拉布坦處的使者，則毫不留情地予以截殺。
以離間拉攏蒙古各部為目的的噶爾丹使者，甚至連清朝的欽定國戚科爾沁人都不放過。於是，康熙皇帝將計就計。1695年八月，康熙皇帝密令科爾沁親王沙拉遣使噶爾丹處，假裝答應接應，旨在引誘噶爾丹東侵深入，以便清廷大軍將其堵截圍殲。噶爾丹接信後果然發兵東侵。
為防止間諜給噶爾丹派送情報，清朝對漠南和北京各處喇嘛廟大加搜查，將噶爾丹苦心經營的間諜網絡基本掃清。
從1695年年底開始，康熙皇帝即著手編組三路遠征大軍，準備再次出擊。
東路軍：統帥黑龍江將軍薩布素，率東北駐防八旗兵六千，另有後勤保障人員三千，任務是越過呼倫貝爾草原至索岳爾濟山堵截噶爾丹的東侵之路。
中路軍：統帥康熙皇帝，統京師禁旅八旗前鋒兵、護軍、驍騎兵、漢軍火器營兵、炮兵、棉甲兵、左翼察哈爾蒙古兵、宣化府及古北口綠營兵、盛京兵、寧古塔兵、黑龍江兵、喀喇沁蒙古兵及內蒙古各盟兵丁，總兵力4萬左右，另有後勤保障人員1.7萬。計劃出北京後，經魁屯布拉克、插汗七老山，壓向克魯倫河。
西路軍：統帥撫遠將軍費揚古、振武將軍孫思克。其中，費揚古部包括山西右衛駐防八旗、京師補調八旗、大同綠營、察哈爾和土默特兩部的蒙古兵，總共13500人，有後勤保障人員1萬餘，取道歸化城北上。
孫思克麾下為陝西、甘州、涼州、寧夏等四鎮綠營兵及西安駐防八旗兵共計1萬，有後勤保障人員七千餘，出寧夏北上。兩軍會師於漠北翁金河(德勒格爾杭蓋)地區後，再合軍一處前往庫倫以南的昭莫多集結待命。
三路大軍算上作戰部隊及後勤人員，總計約十萬人。
烏蘭布通之戰，由於戰場距離內地較近，所以後勤保障的問題並不突出，清軍以1250峰駱駝輪番馱載1500石糧食，再就地徵用一些牛羊就解決了問題。
此次用兵漠北卻是路途遙遠，後勤工作非同小可。康熙皇帝特意撥出專門款項打造七千多輛運糧大車，增購2萬頭騾馬備以分撥各軍。
這些軍需騾馬主要有三個來源：
一是北方各省官府所養的馬匹，僅山西一地就至少有3萬匹；
二是國庫撥款直接從牧區添購的馬匹，比如1695年康熙皇帝一次就從內蒙四十九旗和外蒙車臣汗部總共購得7000匹馬；
三是通過茶馬貿易、以貨易貨的方式從甘肅等地少數民族處獲取的馬匹，這一途徑獲取的馬匹，數量少則500、多則數千。
三路遠征大軍運輸、作戰用的馬匹總共達到了30萬匹！相當於每個作戰部隊的士兵或後勤工作人員可以配備3匹馬！這是為了應對一人數馬配置、機動性極強的準噶爾軍團所採取的必要措施。
組建運糧隊伍不僅要有馬有車，還得有人。為進一步減輕官方後勤體系的壓力，康熙皇帝還特別允准內地商家承運軍需物資隨軍同行，行軍駐紮時將這些隨軍商販運輸隊安置在離軍營一里外專門設置的「買賣營」。
著名旅蒙商號「大盛魁」創始人、晉商王相卿就是依靠在買賣營中隨軍做生意所得本錢而發跡……
總之，為了做好後勤保障各方面的工作，康熙皇帝是什麼招都想出來了。在偵知噶爾丹已經開始東侵的消息之後，清軍開始了大動作。
1696年二月，西路軍首先行動起來；三月，中路軍和東路軍先後出發。行程最短的東路軍很快按原定計劃到達指定位置，而中路軍由於準備充足，加之由康熙皇帝親自指揮，一路上也是進展順利，沿途還在各地留下相當數量的物資以便歸途中採用。
在路上，康熙皇帝不時派出傳令兵以求和東西兩路大軍隨時保持聯絡，便於協調指揮。這時薩布素的東路軍已經離開索岳爾濟山奔向克魯倫河下游，唯獨西路軍已失聯近一個月。
四月二十一日，康熙皇帝終於在進軍途中接到費揚古急報，要求暫緩進兵，原因是西路軍在進軍途中遭遇了意想不到的困難。
1696年二月十八日，費揚古部最先啟程。二十二日，孫思克部也自陝西定邊出發。兩部本約定一個半月後會師於漠北的翁金河，卻不料孫思克部在途經陰山一帶時遭遇大雪，騾馬大量凍死倒斃。
無奈之下，孫思克只能挑選精銳士兵兩千餘人騎乘軍中所能挑出的強壯馬匹，攜帶可供一月之用的糧秣先行北上追趕費揚古部。
費揚古部在行進中也遇到了不少麻煩。探知西路軍行蹤動向的噶爾丹先發制人，派出小分隊將西路軍必經之地——庫倫及土拉河以南的草原焚燒殆盡。此舉令費揚古部到達當地後因馬匹無草可食而被迫改變原定的路線，繞道而行。
戰場情況瞬息萬變，任何事情都有可能發生，康熙皇帝考慮再三，同意了費揚古的請求，並對行動計劃再做調整。他令費揚古、孫思克必須於五月初四抵達昭莫多。為保持協調，中路軍的行軍速度也適當放慢。
五月初一，中路軍進抵距離克魯倫河僅有230里的拖陵布拉克，康熙皇帝隨即向正在克魯倫河流域活動的噶爾丹派出使者，告知噶爾丹自己親征的消息。
為了穩住噶爾丹，康熙皇帝還在信中表示雙方應該進行必要的溝通。噶爾丹開始時還將信將疑，在聽取了自己的侄子、前鋒丹濟拉的稟報後才確認康熙親征的真實性。
五月十一日，當康熙親自率軍抵達噶爾丹在克魯倫河曾駐紮過的克勒和碩後，發現隨地都是被丟棄的輻重物品——噶爾丹又跑了。不過，令康熙皇帝略感欣慰的是，五月初四，費盡周折的西路軍已經抵達昭莫多。
但為了減少糧食損耗，費揚古、孫思克在翁金河會師後前往昭莫多的途中，又再次精簡了兵力，編制內的四萬大軍實際只有一萬四千餘人到位，且行程已經耽誤了將近半個月，人馬疲憊不堪。
這些情況盡被噶爾丹掌握，他之所以在克魯倫河扔下帶不走的輜重急急忙忙西走，就是為了避開擁有兵力優勢的中路軍而專門打擊嚴重減員的西路軍。這顯然並非如同清朝官方史書所宣稱的「而竟逃竄，怯懦顯然」。
1696年五月十三日，中路軍兵臨戰略要地托諾山，仍不見敵蹤，而此時大軍隨身攜帶的乾糧已經告罄。康熙皇帝派出領侍衛內大臣馬思哈率2000名騎兵繼續追尋，自己則率中路軍主力暫時後撤以等候左都御史于成龍督運的糧草。
就是這一天上午，清軍西路軍和噶爾丹軍在昭莫多遭遇，兩軍隨即展開了異常慘烈的廝殺。
昭莫多，在蒙古語中意為大森林。明朝時，這裡叫忽蘭忽失溫，15世紀初明成祖北征時，就是在此地以火器和騎兵結合的戰術大破東蒙古的阿魯台太師。現在，這塊老戰場又要見證一場載入史冊的對決。
志在必得的噶爾丹先發制人，下令所有士兵上馬，布陣衝擊：兩翼的準噶爾輕騎兵或手持短火繩槍，或持弓箭在快速奔馳中交替射擊；陣中的重騎兵平端長矛一往無前，意圖衝破西路軍的正面防守。
此時的清軍西路軍已到達昭莫多十日之久，留在後方的部隊相繼趕到。同在軍中的寧夏鎮總兵殷化行對周邊地形加以勘查，並協助費揚古和孫思克制定了作戰計劃。
戰鬥一打響，西路軍各部開始按部就班、各司其職。滿洲正白旗前鋒統領碩岱、蒙古正黃旗都統阿南達率領部分清軍騎兵率先出擊與噶爾丹軍交鋒，兩軍甫一接觸，清軍就擺出一副且戰且走的架勢，向西面山林地帶撤退。
為了吃掉眼前這股清軍，噶爾丹親率部隊緊追不捨。未幾，清軍騎兵分作兩路「逃散」，出現在準噶爾騎兵面前的，是已經按照變革後的「連環本柵」戰法在高處密林列陣完畢的振武將軍孫思克部。
烏蘭布通之戰後，清軍炮兵總結出一個教訓，那就是在山地戰或野戰中，全重達110斤(清制單位，下同)的鐵心銅炮雖然威力很大，但運輸比較困難；而全重85—95斤的子母炮雖然在威力上較為遜色，但它的優點在於炮身輕便，無論是使用四輪炮車還是騾馬或駱駝承載都頗為便利，可以滿足清軍在野戰或山地戰中保持高度機動性的需要。
子母炮的前身就是明朝中後期從西方引進的後膛裝填「佛郎機」火炮。清朝初年，西洋傳教士湯若望等曾協助清朝改良佛郎機：不改變原有的子銃、母銃結構，而將炮身統一改用熟鐵鑄造，在保持炮身長度基本不變的前提下縮小口徑。
這一做法雖然使得清代子母炮的威力與它的原型明朝佛郎機炮相比大打折扣，但隨著倍徑的加長，子母炮的炮口初速遠超過佛郎機，能獲得比明朝佛郎機更大的射程。
子銃、母銃、後膛裝彈的設計使子母炮可以獲得比前裝火炮高得多的射擊頻率，這在野戰中對付高速運動的騎兵尤為得力。康熙初年著名的火器專家戴梓也曾經參與監造子母炮的工作。
1695年，西路軍編組演練時，軍中就配備了相當數量的子母炮和其他各型火炮，但費揚古很快又向康熙皇帝上奏請求再撥給一批子母炮，康熙皇帝便將北京景山炮廠新造的子母炮24門和江南各省解送的子母炮55門撥給西路軍。
1696年二月，西路軍出發前夕，康熙皇帝又從當年新造的48門子母炮里撥出8門給費揚古。後來西路軍因遭遇惡劣天氣進軍困難，費揚古把軍中的將軍炮留在途中留兵看守，空出200峰駱駝來馱載軍中的子母炮。戰事的發展很快就證明，他的選擇是對的。
當年在烏蘭布通戰場，是清軍先向噶爾丹發起攻擊，被準噶爾軍藉助地利打退下來；如今在昭莫多，情況卻恰好相反：
噶爾丹親率騎兵向高地密林處的清軍孫思克部發起攻擊，孫思克鎮定地指揮清軍士兵迎敵，一片鑼鼓聲中，清軍的鳥槍和子母炮發出陣陣轟鳴。戰場上一片硝煙瀰漫，從下往上的仰攻削弱了準噶爾騎兵的衝擊力，許多人被清軍的炮彈或槍彈擊中跌落馬下。
面對這一情況，噶爾丹命令部下下馬，意圖以分散隊形沖入清軍陣中進行肉搏。孫思克果斷命令打開鹿角門，手持刀盾的漢軍藤牌兵自後衝出。雙方從五月十三日早上殺到當天下午，難分難解……
孫思克率部和噶爾丹主力激戰的同時，費揚古採納殷化行的獻策，親率完成誘敵任務的碩岱、阿南達兩部騎兵包抄到了噶爾丹的後方，把只有少量精銳衛隊的噶爾丹後方大營攪得天翻地覆。
負責留守準噶爾軍後營的阿奴夫人不敵費揚古，便率衛隊前去和噶爾丹會合，正好碰到孫思克部的藤牌兵和噶爾丹軍混戰在一起的場面。
此後，戰局已經發展到清軍不得不把騎兵也改作步兵投入步戰的地步。阿奴夫人加入戰團並沒有為噶爾丹扭轉戰局。相反，由於她本人的穿戴和坐騎都非常顯眼，很快就成了清軍鳥槍手和炮兵絕佳的射擊目標。
清軍士兵紛紛向這個四十多歲的中年婦人開火，絲毫不顧及這樣做可能會傷到正在前方投入白刃戰的藤牌兵同袍。一片槍炮聲響過之後，阿奴夫人殞命沙場。
阿奴夫人嫁給喝爾丹二十餘年，兩人感情極深。她常追隨噶爾丹身邊出謀劃策，甚至和丈夫一起衝鋒陷陣。可以說她的陣亡對噶爾丹的打擊相當大。
此時已近傍晚，在噶爾丹後營打完秋風的費揚古從準噶爾軍背後殺到，腹背受敵的噶爾丹終於支持不住逃離戰場。歷時一天的昭莫多之戰就此結束。
此役，噶爾丹除付出了兩千多人陣亡、三千多人被俘的代價外，還有大批的甲冑兵器以及六萬多頭牲畜被清軍繳獲。僥倖逃出生天的噶爾丹，不僅失去妻子阿奴，其重臣戴巴圖爾宰桑、博羅特和碩齊等也戰死沙場。
得勝的西路軍於五月十五日和一直在搜索噶爾丹的中路軍馬思哈部會合，之後向東前進，準備順著中路軍的行軍路線班師。
五月十五日到十八日，康熙皇帝先後收到馬思哈和費揚古發出的捷報。他不禁大喜過望，親率隨軍文武大臣以三跪九叩的禮節感謝上天，而後宣布班師回朝。
1696年六月初九，康熙皇帝返回北京，持續數月的第二次征討噶爾丹的軍事行動就此結束。
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