外喀爾喀蒙古三部被噶爾丹吞併時，清朝就已經做好軍事行動的準備。1688年9月，在收容賑濟外喀爾喀殘部的同時，由領侍衛內大臣佟國綱、費揚古、內大臣明珠、理藩院尚書阿喇尼統率的上三旗驍騎營、下五旗先鋒護軍進駐張家口待命。
漠南蒙古蘇尼特、茂明安、鄂爾多斯等旗每旗集結2000兵丁，加強本境守備。歸化城的京師八旗1000充作機動部隊，山東、山西、直隸各省的八旗綠營也開始撥出精銳部隊北上待命。康熙下令給作戰部隊配足所需的馬匹。
1690年四月，清朝使臣到達伊犁會見策旺阿拉布坦，傳達康熙皇帝希望與策旺阿拉布坦聯合夾擊噶爾丹的意願，這時離噶爾丹第二次東征僅有一個月的時間了。
五月初三，經過數月準備，噶爾丹留兵5000人守科布多大營，他自己親率2萬兵力沿克魯倫河、烏爾扎河、喀爾略河一線前進，侵入清朝境內呼倫貝爾草原。當年寄居此地的阿魯科爾沁部眾早已南遷，噶爾丹得以長驅直入。
六月二十一日，準噶爾軍進入哲里木盟境內的烏爾會河，擊潰了清理藩院尚書阿喇尼臨時徵調的2萬滿蒙官兵，取得了清准戰爭第一仗的勝利。
隨後，噶爾丹一邊撒著「我攻我仇喀爾喀，不敢犯中華界」的彌天大謊，一邊率軍擊潰各旗蒙古兵丁的抵抗，攻占漠南蒙古錫林郭勒盟北部草場，殺到烏珠穆沁左翼旗境內，脅迫當地蒙古王公進獻牛羊充實軍資。
七月，準噶爾軍兵臨烏蘭布通，距離北京僅700里！
烏蘭布通，在蒙古語中意為紅色的山包子，是位於昭烏達盟克什克騰旗境內的一塊高地。其主峰所處的位置是東北——西南流向的西拉木倫河上游支流薩里克河的河源，山峰南面正對著高涼河。
此地水草豐美，噶爾丹駐兵於此，一來可以休整部隊，二來可以對近在咫尺的北京施加壓力，迫使康熙皇帝交出土謝圖汗和哲布尊丹巴一世，承認準噶爾對喀爾喀三部的實際控制權。
噶爾丹率軍占據烏蘭布通的消息傳到北京後，北京全城戒嚴，京師八旗每牛錄調出8名鳥槍手以備調遣。北京城內人心惶惶，米價竟一日內上漲數倍。康熙皇帝見局勢險惡，為穩定軍心大局，力排眾議著手準備御駕親征。
1690年七月初二，康熙命裕親王福全為撫遠大將軍，與皇長子胤褆統兵出古北口為西路軍，前往烏蘭布通處正面迎擊噶爾丹軍；以恭親王常寧為安北大將軍，與和碩簡親王雅布統兵出喜峰口為東路軍，負責包抄噶爾丹的臨時補給基地烏珠穆沁；康熙皇帝自領一軍為中路，總率全局。
按計劃，七月初六，東西兩路軍應全部啟程；七月十四日，康熙親率中路軍離京北上。三路大軍包括此前調集的京師禁旅八旗、察哈爾八旗、八旗漢軍火器營等部隊在內，算上後勤人員，總兵力達10萬人，浩浩蕩蕩出塞迎擊噶爾丹。
與此同時，為策應正面戰場，東北的盛京、寧古塔、科爾沁各處駐防八旗兵紛紛出動，只待集結完畢後就向常寧的右路軍靠攏，威懾噶爾丹側翼。
在平定三藩之亂中立下赫赫戰功的康親王傑書，也奉命率大同和宣府綠營兵3100名駐守歸化城，統一指揮駐防八旗及鄂爾多斯、茂明安等各旗兵丁，準備在噶爾丹戰敗西逃時對其殘部進行堵截。
西安將軍尼雅漢統率滿漢官兵3000人前往寧夏，負責策應歸化城清軍作戰。為保證一勞永逸圍殲噶爾丹，康熙皇帝嚴令：「大兵陸續前進，朕亦親往，姑勿與戰，以待各路軍至齊發，毋致失利。」
但計劃趕不上變化快。首先是七月初七，康熙接到報告，盛京、寧古塔、科爾沁的駐軍未能按時到達預定地點；加上前方偵察人員報告準噶爾軍有後退的跡象，是以康熙決定常寧右路軍暫緩進兵。等到七月十六日，康熙皇帝查明噶爾丹已經率軍退到烏珠穆沁放牧之後，才又諭令常寧繼續按原計劃行動。
就在這一天，康熙皇帝率中路軍抵達灤河以東的黃姑屯(今河北隆化)時，由於連日備戰過度焦慮而犯瘧疾病倒，御醫多方調治病情仍未好轉。
雖然康熙依舊強撐著要繼續前進，但臣下文武均力勸其返回北京調養，康熙無奈地對臣僚們說：「朕來此地，本欲剋期剿滅噶爾丹，以清沙漠。今以朕躬抱疾，實難支撐，不獲親滅此賊，甚為可恨。」
在命令隨駕的漢軍火器營和前鋒護軍等精銳部隊挑選最健壯的戰馬馳赴福全兵團後，康熙皇帝返回北京，一場帝國君主和草原汗王硬碰硬的精彩對決就這樣抱憾而止。
這樣一來，三路清軍就只剩下福全兵團繼續前進。對於清軍的動向，噶爾丹早已通過此前就秘密布設在漠南蒙古及北京各處的喇嘛間諜網大概得知。
雖然康熙皇帝為了麻痹噶爾丹，也不斷派遣使者前往準噶爾軍營，做出要舉行談判的姿態，試圖影響噶爾丹對形勢的判斷，但噶爾丹顯然沒有被這種低級的障眼法糊弄過去。
1690年七月底，奉命抵達大興安嶺一帶的清軍安北大將軍常寧派出一部襲擊烏珠穆沁，卻被準噶爾軍擊敗，未能達成擾亂準噶爾軍後勤補給地的作戰目標。得勝的噶爾丹再次大舉南下，重新兵臨烏蘭布通。
八月初一黎明時分，福全兵團前鋒悄然抵達烏蘭布通薩里克河以南。清軍首先發現準噶爾軍後，立即整隊「設鹿角槍炮，列兵徐進」，走在清軍隊伍前面的，是清一色手持火繩槍的八旗漢軍火器營官兵。
為培養能與準噶爾軍火槍兵抗衡的勁旅，康熙於1683年皇帝下旨組建八旗漢軍火器營，營內設總管、協領、參領、操練尉、驍騎校等各級軍官。據推算，這支新組建的漢軍火器營共有兵5610名，占漢軍馬甲(指八旗驍騎營之著甲士兵)總數的3/5。
漢軍火器營初設時僅有鳥槍營，1690年初，為了應對即將爆發的戰事，又擴充了火器營的規模，將其升格為「漢軍火器營兼練大刀衙門」，以滿足協同作戰的需要。營制和官制也相應發生了變化。
火器營的單兵火器全系被稱為「鳥槍」的火繩槍，按形制大體分日本種子鳥銃、魯密銃(奧斯曼式火繩槍)、來自歐洲的荷蘭造火繩槍等三類。
清准戰爭以前，經過三藩之亂實戰考驗的清軍已經摸索出了一套自己的火器戰術。負責漢軍火器營訓練的佟國綱創製出「連環本柵」戰術。
作戰時，每兩名身穿棉甲的鹿角兵或夫役組成一組，負責扛抬鹿角木，排列於軍陣前。每架鹿角木後面站著一名手執小紅旗的低級軍官「領催」，鳥槍手在鹿角木十步後列隊，排成九行，每行一隊，每一隊士兵前後間隔十步的距離。
號角手吹螺號三次，身處鳥槍手最後方的炮兵聞號則發炮三次。火炮射擊完畢，第一隊鳥槍兵進至鹿角木後，視「領催」小旗、聽口號齊射，其餘各隊依次前進十步。
第一隊射擊完畢，全隊右轉向後走，在隊尾重新排列，清膛裝藥。緊接著，抬鹿角木的鹿角兵、夫役及第二隊鳥槍手復進十步，第二隊鳥槍手照舊於鹿角木後聽令齊射。如此各隊依次放槍九次，稱為九進。至第十進，就算完成射擊隊形的一個連環。這就是著名的九進十連環戰術。
1690年八月初一下午,清軍完成部署，和準噶爾軍隔著薩里克河以火器對射的形式揭開了烏蘭布通之戰的序幕。不過此時雙方距離較遠，加之前裝滑膛槍炮精準度有限，所以這一階段雙方都沒有大的傷亡。
在使用單筒千里鏡觀察敵情之後，清軍統帥福全發現，準噶爾軍在烏蘭布通峰南坡「於林內隔河高岸相拒，橫臥駱駝，以為障壁」，擺了一個極為奇特的陣勢迎戰清軍：
依託地勢，將軍中駱駝集中起來，面向敵人排成數排橫隊，四足以繩索裹縛，臥於地上，駝背裝載木箱等物，以此掩護士兵射箭、放槍，這就是著名的「駝城」戰術。
這一戰術並非是噶爾丹的原創，在此之前早有施行者。16-17世紀，中亞各國在學習奧斯曼火器製作技術的同時，也吸收了奧斯曼軍隊的火器戰術。這種戰術最早來源於胡斯戰爭中的「車堡陣」。
這種陣形的精髓在於步、騎、車協同作戰，哪怕讓敵方的騎兵突破側翼，敵軍也無法越過連在一起的車子，己方以大車為掩護的火槍手卻可以從容地向敵人射擊。
雖然16—17世紀，中亞地區已能自產槍炮，但受制於生產力和生產規模，中亞的小國們沒有能力像奧斯曼那般單獨組建數量龐大的火器兵種。雖然也仿效了奧斯曼帝國的火器戰術，但火力配置上則寒酸得多。
於是他們採用了以騎兵為主、乘馬的火器兵為輔的做法，火槍手、弓箭手、炮手混合編組，迎敵時列於大隊前方，與敵軍對射，當敵軍混亂時後方的騎兵就投入戰鬥，擴大戰果。
為了保持高機動性，中亞各國以馱載木箱的隨軍駱駝代替了大車充當防禦掩體。準噶爾人在長期和中亞各國作戰的過程中也學習並掌握了這種戰法。
如今，在烏蘭布通這個戰場上，噶爾丹也希望用這一戰術重創清軍。他與精銳衛隊在烏蘭布通峰北坡立下大營，以騎兵分左右兩翼駐紮於駝城工事後被樹林隱蔽的高地處，然後放心大膽地等著清軍衝上來送死。
卻不料清軍並不急著過河殺敵，清軍火器營的鳥槍手進抵河岸後，忽然集體左轉向西行進，鳥槍手後面赫然是正在裝填火藥和炮彈的清軍炮兵！
這是由侍衛內大臣馬思哈指揮的從屬漢軍火器營的炮隊，他們所裝備的火炮有行營信炮、子母炮、鐵心銅炮等。除了用來施放各種信號的行營信炮，其餘兩種均是實戰火炮。
在清軍炮火的轟擊下，噶爾丹的駝城很快被轟為兩段，一片血肉模糊，木屑紛飛。激戰到傍晚，福全命令炮兵停止射擊，同時派出調整隊形完畢的火器營分成左右兩翼發動進攻。
領侍衛內大臣佟國綱與其弟佟國維率領火器營一部為左翼，從戰場西面泅渡薩里克河，隨即向準噶爾軍防線的缺口衝擊。
佟國維率領的部分清軍甚至一直殺到距離噶爾丹中軍大營很近的地方架炮轟擊，但由於清軍進軍倉促，加之又是從下往上仰攻，陣形漸漸毫無章法擁作一團。
準噶爾軍則依託地利、居高臨下地用火繩槍、輕型火炮或弓箭向清軍射擊，隨後部署在這一方向的準噶爾騎兵也加入了戰團，清軍漸漸不支而退。撤退途中，佟國綱及營總韓大任等多名將官中槍身亡。
左翼進攻受挫的同時，右翼的清軍已經沿著薩里克河溯流而上，在河流最窄處泅渡過河。很不幸的是，河的對岸是一片泥沼，於是乎剛上岸的清軍沒行進多遠，就陷入泥沼中，前進不能後退不得。
在準噶爾軍的彈雨下，右翼清軍的處境更加被動。戰鬥中，清軍鑲白旗前鋒參領格斯泰騎著康熙皇帝御賜的白鼻駿馬，「直入賊營，左右衝擊，出而復入者再」，最終陣亡。不過他一個人的英勇挽救不了整支隊伍的潰敗。
截止到當日夜幕降臨，清軍除了給予敵軍一定的殺傷外，並沒有取得什麼重大戰果，己方反而傷亡大批官兵，福全只好命令收兵退回薩里克河以南。
清軍和準噶爾軍就此隔著薩里克河對峙了兩日。此時的準噶爾軍雖然給清軍以極大殺傷，但自身也遭受了一定的作戰傷亡和彈藥損耗。
更為嚴重的是，大批隨軍駝馬、牛羊等牲畜在戰鬥中斃於清軍炮火之下，使準噶爾軍既無力組織從烏珠穆沁到烏蘭布通的軍需物資運輸，也再難保證軍中士兵肉食來源。
清軍雖然傷亡重大，但憑藉火炮數量多的優勢和較為穩定的後勤運輸補給，拖垮準噶爾軍不成問題。面對現實，噶爾丹不想再做無謂的消耗，開始為組織撤退爭取時間。
八月初三，噶爾丹派遣正在軍中的伊拉古克三活佛前往福全的大營假意求和。福全雖然明知噶爾丹已經勢窮，但是前日(八月初一)一場激戰令他對準噶爾軍的戰鬥力印象深刻。
為了先穩住噶爾丹，等常寧的東路軍從烏珠穆沁趕回再發起進攻，福全答應停戰，並連夜上書康熙皇帝詢問方略。但當晚噶爾丹就率領準噶爾軍撤離烏蘭布通，並向西北方向的錫林浩特狂奔而去。
等福全發現上當準備追擊時，已經太晚了。不久，在烏珠穆沁一無所獲的常寧也率軍返回烏蘭布通。常寧和福全兩部會合後，清軍即班師回朝。
烏蘭布通之戰就此結束，雙方真正交戰的時間只有八月初一這一天，作戰雙方都沒能達到自己的預定戰役目標。康熙皇帝雖然表面上不得不向海內外宣告大捷，但是心裡也明白這不過是面子上的勝利。
除了戰死的佟國綱、格斯泰等將官得到優恤褒揚外，參與烏蘭布通戰事的所有指揮官，包括主帥裕親王福全在內，無一人不受罰；曾一度攻入敵陣的火器營左翼官兵則因功受獎。
不管怎麼說，烏蘭布通之戰還是帶給了清朝極大的收益——漠北喀爾喀各部的王公見識到了宗主國的力量，確信康熙皇帝可以成為他們強有力的保護者。
於是，1691年五月初一到五月初六，清朝、喀爾喀蒙古及漠南蒙古在四道河畔的多倫諾爾廳舉行會盟。康熙皇帝特意調撥81門各式火炮大搞射擊演練。
隆隆炮聲中，喀爾喀蒙古各部王公起誓，日後將無條件遵行清廷的法令；土謝圖汗察輝多爾濟等人具疏請罪，札薩克圖汗部從土謝圖汗部中再次獨立出來，喀爾喀蒙古內部紛爭得以結束。
清朝廢除了喀爾喀三部舊有的濟農、諾顏等名號，相應授各級王公以汗、親王、郡王、貝勒等爵位；將順治時代的左右兩翼八札薩克改為左中右三路三十二旗，實行和漠南一樣的盟旗制度。
但漠北蒙古的札薩克盟旗長可以保留世襲，與非世襲札薩克的漠南蒙古相對。因而清代官方文件又稱呼漠北蒙古為「外藩蒙古」，稱漠南蒙古為「內屬蒙古」。
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