五月十七日，西路軍發現噶爾丹所部蹤跡。費揚古命署前鋒統領碩代等誘敵深入，將噶爾丹所部萬餘人引入了包圍圈。敵人進入包圍圈以後，費揚古當即以康熙預授之策，令官兵全部下馬浴血步戰，“約聞角聲始上馬”。清軍據險俯擊，弩銃齊發，“每進則以拒馬列前自固”，噶爾丹部拚死抵抗。雙方激戰自午至暮，馬仰人翻，血濺旗靡。費揚古令一支輕騎繞至敵後，奪其輜重，敵軍大亂。
進軍的號角吹響了，地顫天驚。鏖戰中的清軍官兵，有的奮力甩開敵手；有的從泥濘血泊中掙紮起身；有的高舉刀槍劍戟、火器鳥銃從伏擊之處大呼而出，翻身上馬，猛烈衝擊，如排山倒海之勢，逐敵三十餘裏，大獲全勝，共斬首三千餘級，俘獲子女牲畜無數，其中僅牛羊即二十餘萬頭。噶爾丹之妻阿奴死於此役，噶爾丹率數騎先行逃竄。康熙聞報，神采飛揚，賦詩一首：戰馬初閑甲士歡，揮戈早已破樓蘭。彌天星鬥銷兵器，照徹邊關五月寒。
而後，留費揚古駐守科圖，在一片勝利的歡呼聲中班師凱旋。這便是曆史上著名的“昭莫多大捷”。同年九月，為招撫和分化逃往西北地區的噶爾丹殘部，加強各族各部對於中央的向心力、斷絕噶爾丹聯絡回部、青海、西藏的企圖，康熙決定二次親征噶爾丹。為避免群臣勸諫，康熙詔諭將“往宣化地方行圍”，即將啟行之時，方宣布是二次親征。
康熙對群臣說：“噶爾丹似此困極，雖不進討亦必滅亡，如今隻管以招撫為要。所以朕諭大將軍，頻遣噶爾丹降人往招之。噶爾丹今雖不降，其部落既散之後，自來歸順矣。”
兩個多月的時間內，康熙諭令大將軍費揚古，向各處頒示招撫噶爾丹等敕書和三百道蒙古文敕書。康熙對噶爾丹部來降之人做了妥善安置，一千五百餘降人被編入上三旗佐領，頭人授予官職；不願來內地的，各給一匹馬遣回，“令其往諭噶爾丹，若他來降，也一樣待以顯榮”。康熙對噶爾丹被俘之人也做了妥善安置，三千多在昭莫多之戰中被俘為奴的噶爾丹部男女，皆被康熙賜銀贖出，“令其父子夫婦兄弟完聚”，其中不少噶爾丹手下重臣得以同家屬完聚，康熙並讓他們帶給噶爾丹敕文，文中有：今朕又親率六軍遠蒞於此，且各處調兵邀擊。爾等妻子馬畜諸物俱已散亡，衣食已盡，勢迫無歸。況時漸嚴寒，朕不忍爾屬下厄魯特妻子相失，窮困凍餓而死，特遣諭招撫。今重複降諭，爾等若悔前愆，俯首向化，朕一體加恩撫恤，俾各得其所，爾屬下厄魯特亦得妻子完聚……今若又不覺悟，聽信匪言，則後悔莫追矣。爾其勿疑勿懼，特諭。
在招撫過程中，康熙采取分化瓦解政策，對噶爾丹周圍的人，反複說明：你們都不是“倡亂之人”，你們如果與噶爾丹“分析各居”，“率爾部落來降”，以前依附噶爾丹之咎，“朕概不介意，必待爾以富貴，爾之部落亦使各得生業，妻子完聚，從容度日”。在招撫過程中，康熙重新部署西北軍力，調河西振武將軍孫思克、西安將軍博霽等，率兵馳援屯駐西寧的副都統阿南達，令阿南達與土爾扈特部、和碩特部、準噶爾部、哈密回部各台吉、頭人以及逃於哈密附近的噶爾丹內弟噶爾多爾濟等，四麵設哨，組成了聯合防線，從根本上遏阻了噶爾丹西竄的通道。十一月初七，阿南達得報，噶爾丹方麵有信使等將往西北進行聯絡，遠方煙塵一起，阿南達即揮師望塵逐敵，鐵騎飛馳百餘裏，截俘噶爾丹信使和噶爾丹托達賴喇嘛照看其子塞卜騰巴爾珠爾的信件。根據信中線索，各部於哈密附近擒獲了噶爾丹之子塞卜騰巴爾珠爾，顯示了西北各部聯合作戰的力量。
噶爾丹徹底孤立，康熙回鑾。康熙三十六年二月，康熙三次親征。
在此之前，不少官員認為“小醜已極困窮，計日就戮”，“聖駕不必再臨沙漠”。康熙則一再對諸臣強調親征的重大意義：凡用兵之道，要在乘機。天與不取，後悔就來不及了。前三藩之亂，由於最初沒有傾全力剿平，致使吳三桂煽惑人心，亂勢滋蔓，朕日夜綢繆，調遣大兵，幾費心力，方得撲滅。現噶爾丹窮迫已極，宜乘此際，速行剿滅，斷不可緩。朕今親臨寧夏，相度機宜，調遣軍士，賊聞之必魂魄俱散，其部署亦必張惶，而蒙古其他各部，聞朕親臨寧夏，各欲立功，扼噶爾丹而圖之。彼不自盡亦必為人擒獻，克成大業，正在此舉。
康熙率大軍一路西行，他盡量將對地方、百姓的幹擾降到最低限度。嚴飭地方官吏不得藉端科派，不得遠來迎駕，所過城堡衢市禁止結彩，軍隊繞由邊外行進等。諭令精簡扈從人員，一切禦用所需皆自內廷供辦，不以煩民，市易之物悉依時價等。當寧夏總兵官王化行奏請皇上行圍甘肅花馬池，檢閱軍容時，康熙豪邁地說：“噶爾丹未滅，馬匹關係緊要，寧夏兵來花馬池，往來需七八日，馬必疲乏。打獵事小，擒獲噶爾丹事大。今罷獵休息馬匹，以獵噶爾丹如何？你速傳諭所有官兵勿來花馬池，待朕至寧夏閑暇之日，閱爾軍容。”
其時，噶爾丹內部在康熙招撫政策的感召下，已開始分崩離析。噶爾丹重臣吳爾占劄卜、丹濟拉均十分動搖，傾心於朝廷。吳爾占劄卜的母親被清軍所俘，又被康熙放回與其子相聚。她對噶爾丹都這樣說：“中華皇帝國大兵多，繁榮強盛，況中華皇帝乃活佛也！遣使敵人母子團聚，你們從前也曾聽說過這種事嗎？現在不降，更待何時？”