明年，竇憲與耿秉各將四千騎及南匈奴左穀蠡王師子萬騎出朔方雞鹿塞，南單於屯屠河，將萬餘騎出滿夷穀，度遼將軍鄧鴻及緣邊義從羌胡八千騎，與左賢王安國萬騎出稒陽塞，皆會涿邪山。竇憲分遣副校尉閻盤、司馬耿夔、耿譚將左穀蠡王師子、右呼衍王須訾等，精騎萬餘為先鋒，閻盤、耿夔等至涿邪山，乃留輜重，分為二部，閻盤與左穀蠡王師子為左部，耿夔、耿譚與右呼衍王須訾等為另右部，各引輕兵兩道襲之。左部北過西海至河雲北，右部從匈奴河水西繞天山，南度甘微河，二軍俱會，夜圍北單於。單於大驚，率精兵千餘人合戰。耿夔、耿譚合攻北單於，北單於不敵被數創，耿夔一搶把北單於刺下馬，北單於左右連忙敵住耿夔、耿譚，大叫：“單於上馬快走。”北單於複上，將輕騎數十遁走，僅而免脫。漢軍追擊北匈奴諸部，遂臨私渠比鞮海，斬名王以下萬三千級，獲生口馬、牛、羊、橐駝百餘萬頭。於是北匈奴溫犢須、曰逐、溫吾、夫渠王柳鞮等八十一部皆率眾降者，前後二十餘萬人。竇憲、耿秉遂登燕然山，去塞三千餘裏，刻石勒功，紀漢威德，令班固作銘曰：“惟永元元年秋七月，有漢元舅曰車騎將軍竇憲，寅亮聖明，登翼王室，納於大麓，惟清緝熙。乃與執金吾耿秉，述職巡禦，理兵於朔方。鷹揚之校，螭虎之士，爰該六師，既南單於、東烏桓、西戎氐羌侯王君長之群，驍騎三萬。元戎輕武，長轂四分，雲輜蔽路，萬有三千餘乘。勒以八陣，蒞以威神，玄甲耀日，硃旗絳天。遂陵高闕，下雞鹿，經磧鹵，絕大漠，斬溫禺以釁鼓，血屍逐以染鱷。然後四校橫徂，星流彗埽，蕭條萬裏，野無遺寇。於是域滅區單，反旆而旋，考傳驗圖，窮覽其山川。遂逾涿邪，跨安侯，乘燕然，躡冒頓之區落，焚老上之龍庭。上以攄高、文之宿憤，光祖宗之玄靈；下以安固後嗣，恢拓境宇，振大漢之天聲。茲所謂一勞而久逸，暫費而永寧者也。乃遂封山刊石，昭銘上德。其辭曰：鑠王師兮征荒裔，剿凶虐兮截海外，夐其邈兮亙地界，封神丘兮建隆嵑，熙帝載兮振萬世。”竇憲遣軍司馬吳汜、梁諷，奉金帛遺北單於，宣明國威，而兵隨其後。時北匈奴大亂，吳汜、梁諷所到，輒招降之，前後萬餘人。遂及北單於於西海上，宣國威信，致以詔賜，單於稽首拜受。梁諷因說：“今北匈奴大部分人已經降漢，單於宜修呼韓邪故事，歸順漢朝，此乃保國安人之福也。”北單於喜悅，即將其眾與梁諷俱還，到私渠海，聞漢軍已入塞，北單於不敢再前，乃遣弟右溫禺鞮王奉貢入侍，隨梁諷到洛陽麵見漢和帝。竇憲對和竇太後說：“北單於不自身到，乃無誠意投降也。”竇太後乃遣其侍弟還。南單於於漠北得古鼎，送竇憲。鼎容五鬥，其傍銘文曰：“仲山甫鼎，其萬年子子孫孫永保用”。竇憲把鼎獻上，朝廷下詔說：“車騎將軍憲，統率漢朝大軍，大破北匈奴於稽落山、金微山，登燕然山，‘刻石勒功’，逐北單於，迫其西遷。其威名震撼了大漠南北，雖衛青、霍去病不及也！特使中郎將持節即五原拜竇憲為大將軍，封武陽侯，食邑二萬戶。”竇憲接受大將軍職但堅決辭去封爵。
憲率軍回京師，朝廷大開倉府，犒勞賞賜將士，隨竇憲出征的各郡二千石長官的子弟，都升任太子舍人。是時，竇篤為衛尉，竇景、竇瑰皆侍中、奉車、駙馬都尉，於是，兄弟四人大修宅第，爭競豪奢，窮極工巧。明年，朝廷下詔說：“大將軍憲，前歲出征，克滅北狄，朝加封賞，固讓不受。舅氏舊典，並蒙爵士。其封憲冠軍侯，邑二萬戶；篤郾侯，景汝陽侯，瑰夏陽侯，各六千戶。”竇憲再辭，其三個弟弟都接受封爵，竇憲遂將兵出鎮涼州，以心腹侍中鄧疊行征西將軍事為副。北單於以漢朝還侍弟，複遣車諧儲王等款居延塞，欲入朝見，願請大使。竇憲上遣中護軍班固行中郎將，與司馬梁諷迎之。誰知南匈奴為了不給北單於喘息機會，再次出兵擊北單於，北匈奴複大敗，北單於被創遁走，班固等人走到私渠海，看不到北單於，轉頭返回。竇憲以北匈奴微弱，遂欲滅之。明年，夏，遣右校尉耿夔、司馬任尚、趙博等將兵擊北虜於金微山，北匈奴此時已是士氣盡墜，與漢軍一觸既潰，漢軍克獲甚眾。北單於逃走，不知所在，從此與漢為敵三百年的北匈奴國滅亡。