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。
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