由于天灾打击，北匈奴内乱连年。公元83年6月，北匈奴贵族稽留斯等率30000人至五原降汉。公元85年春，又有北匈奴大人车利涿兵等逃亡入塞。北匈奴内部经过多次叛逃，实力已大大削弱。
在这样的背景下，北匈奴单于甚至主动提出再次和亲。出于招抚外族的目的，汉和帝同意了这一请求，于是北单于派出且渠伊莫訾王来与汉朝贸易。而南单于此时已经有了不小的野心，希望统一南北两部。为了防止北匈奴的实力恢复，南匈奴还多次出手袭击北匈奴使团和商队，并且深入涿邪山搜寻北匈奴部众，掳掠牲畜和人口。为了制衡南匈奴，度辽将军一面按照汉军的首虏率给南匈奴记功，一面加倍偿还北匈奴的损失。结果这反而加强了南匈奴北上的积极性。对于当时的北匈奴来说，南有匈奴同胞攻其前，北丁零人攻其后，东有鲜卑人攻其左，西有城邦国家攻其右，可谓是四面楚歌。
连续的气候恶化 匈奴的生产力造成很大打击
公元87年9月，北匈奴再次大乱，多达58部的20万北匈奴人纷纷南下至云中、五原、朔方、北地等郡降汉。此时南匈奴单于也上书道：建议趁着北匈奴的大规模内部动荡，希望汉朝能允许南匈奴军队北上讨伐北匈奴，让两部合并为一国。南匈奴单于上言的目的，是想借东汉的实力以统一匈奴，其野心昭然若揭。虽然朝中多数大臣都持反对意见，但窦太后却认为此举可行。此前，都乡侯刘畅风流倜傥，与窦太后发生了暧昧关系。结果，睚眦必报的窦宪因担心会分享权力，于是买凶刺*，因此被投入监狱。为了盖过外戚世家的丑闻，也为了让兄长将功赎罪，窦宪就成为了北征大军的统帅。这个细节也暗示了东汉的政治特色，外戚在朝廷中的影响力强大。
公元89年6月，窦宪和耿秉等人离开洛阳北上，开始调集各方势力。这是一场实力极不对等的战斗，汉朝方面调动了所有能够集结起来的精锐力量，而北匈奴则是强弩之末。
早已归附的南匈奴 成为怂恿汉军北伐的最主要推手
汉军选择在夏季的6月开始动员，到7-8月出战，这个日期选择也与西汉时代的传统有别。这是由于此时的北匈奴实力已大不如前，所以趁着敌军战马比较健壮的时候出战，就不是那么令人畏惧了。此外，这次汉军中有大量的南匈奴士卒，他们刚刚进行了祭拜祖宗天地的龙城大会，各个部落的首领和兵马都齐聚一堂，有利于就地征调军力。汉军选择在这个时间点出战，也是为了趁机将已经长期迁徙的北匈奴都一网打尽。
这些人中，最先动员起来的就是南匈奴部落军。他们在每年5月的龙城大会后，就开始在黄河沿线聚集。作为北匈奴的同族，他们很清楚北方同胞再恶劣气候的折磨下势力衰败、内乱连年，并且渴望着借助强大汉王朝的势力统一匈奴全族。在整个东汉王朝中期，西北和北方边境上存在着20个左右的外族属国，这些属国武装成为了汉朝军事力量的重要组成部分。由于东汉朝廷的豢养，南匈奴成为了东汉朝廷边郡的耳目和前哨部队。这些人在夏季时会迁往纬度或者海拔较高的牧场放牧，在秋季时进行会猎等传统军事演习，在脆弱的冬季则会接受汉庭提供的兵马保护和钱谷支援，与此同时，南匈奴地上层人士逐步开始读汉书、用汉姓，在文化上逐步区别于北方同胞。
南匈奴一直是东汉非常倚重的骑兵力量
进入8-9月，汉地的农事活动已经大致完成，此时的中原也进入了传统的整炳备战期。汉朝开始调动驻扎在黎阳、雍营、缘边十二郡骑士的边郡骑士。他们是东汉军队中的精锐部队，体现了东汉朝廷对于此战的重视。也是因为东汉的普通防卫部队，素质比过去低下很多。
在东汉建立后，出于休养生息和加强中央权力的需要，汉光武帝刘秀废除了一年一度的更戍制度。所以边疆有着战事，就要中央军四处出击，或者是临时征调边境民众和外族部队。征调主力这源自剑客游侠、商贾子弟、减刑囚犯和市井无赖。当时的贤良士人和农夫子弟，很少有人以从军为荣，这也是班超为投笔从戎时颇受同僚耻笑的原因。这类临时武装要么缺乏军事素质，要么不愿意拼死卖命，战斗力不宜高估。所以征调边郡的骑士体现了东汉朝廷对这次战役的重视。
由于制度差异 东汉军队平均战力已不如西汉
第三类军队是各种出自少数民族的义从兵。窦宪的西路义从兵，主要是湟水谷地的羌族和小月氏，而东路军中的义从兵主要是来自汉朝东北方边境的乌桓人和鲜卑人。
汉军中还有第四类最精锐的部队，那就是辽将军的度辽营，以及卫戍洛阳的北军五校。度辽营属于中央在地方的常驻屯兵，主要职责是防止南北匈奴的勾结和北匈奴对南部的袭扰。他们武器和军饷有中央保证，所以战斗力较强。由于防区与南匈奴的驻扎地大体重合，所以对匈奴人比较熟悉。北军五校属于戍卫京城的戍卫部队，其中的长水校尉主要负责指挥乌桓和鲜卑骑兵，而越骑校尉指挥迁居河内与关中地区的越人骑兵。所以这些最精锐的部队要么是久在边境、渐染胡俗，要么本身就有数目不小的外族部队。
精锐骑兵 始终是汉朝对抗匈奴的决定性力量
根据南匈奴单于的提议，不同成分的力量集结好后，大致在8-9月正式从集结地开拔。南匈奴各个部落也集中在边防线上，很容易征发集结。匈奴人并不是无规律地在草原上游荡，而是在夏牧场和冬牧场之间有规律地转场。所以根据对匈奴习俗的了解和北匈奴叛逃者提供的情报，当时的北匈奴单于应当聚集在涿邪山南北。类似西汉时的漠北大战，将领们深知将所有人集中在一路出击，势必会给所过之地造成后勤补给方面的巨大压力，而且单凭一路军队难以对敌人形成合围态势。所以全军兵分三路，在默认有一路会迷路或者延迟的情况下，至少得有一到二路兵马能投入战斗。
所以，主帅窦宪、副帅耿秉和南匈奴的左谷蠡王从朔方郡狼山开口上的鸡鹿塞出发，这一路兵马的位置最为靠西；南匈奴单于屯屠何位于三路人马的中路，是从满夷谷关口出发的；在东路，度辽将军邓鸿带领度辽营以及义从羌胡八千骑从五原郡稒阳县出发。由外戚将军和中央军走左右两路，将匈奴兵马夹在中间，而且左右两路兵马都是以汉军精锐监督羌胡士兵和南匈奴士兵。这一部署说明了汉军的原始计划，其实是让南匈奴与北匈奴军队正面捉对厮*，而汉军精锐从两翼包抄对手。也是为了防止南匈奴单于和北方同胞暗中勾连、防止战局生变，和西汉元帝时代对呼韩邪单于和郅支单于的分化政策有异曲同工之处。
窦宪北伐前的汉匈边境态势
在行军的过程中，汉军按照前军-左军-中军-右军-后军的次序前进，组成了一个个严谨有序的阵列，队形有条不紊。一旦变成战斗阵型，就是骑兵集结于左右两翼，中路安排步兵。一旦敌军骑兵过多，便依托车营构建临时的防御阵地。其中，最右边的邓鸿要通过翁金河谷去穿越大漠，所以比其他两路略晚到达集结的地点。在穿越大漠的过程中，寻找敌人决战的汉军位于明处，而匈奴人位于暗处，很有可能是匈奴人的斥候侦察到了汉军的行踪。因此，针对汉军的军事部署，匈奴人有意识地将战场转移到了涿邪山东侧的稽落山地带防御。
面对北匈奴的后退，汉军各路来到了涿邪山前，发现对方已经提前转移到稽落山。于是窦宪下令自己的直属部队快速行军，向着目标奔袭。这种快速先行不仅是急于戴罪立功，更要避免南匈奴单于屠屯何与北匈奴单于发生计划之外的接触、以防战局生变。在一番调遣部署之后，窦宪从全军中选派出胡汉精锐骑兵万余人，向北单于的核心部族大举发动进攻。
尽管沿途条件恶劣 但环境因素并没有挡住汉军前路
北匈奴单于的营帐和大军分布在山地平缓而开扩的南坡上，前方有简单的土质与木质的防御工事。由于刚刚迁徙到此地，匈奴人还没有来得及建立起更加复杂的工事，所以可以推测整个大营搭建得比较仓促。单于的核心部族和仆从部队乱作一团，不利于有序的防御。而游牧民大营中的精壮男子和老弱妇孺又大量地混杂在一起，非常不利于在短期内大量集结精壮男子投入战斗。
面对仓促集结在山前的北匈奴骑兵，大队汉军的骑兵分成3个长方形的进攻方阵，以两翼执行强力包抄的任务，向着匆匆列阵的北匈奴发起冲击。在两汉之交的混战中，骑兵已越来越具备了冲击敌阵职能。比如来自幽州的突骑，就为各方势力所青睐。他们能手持长戟或者骑矛，正面冲击敌阵。随着东汉政权的稳固，原本由燕人组成的幽州骑兵已经在东汉初年的混战中名扬天下；很多鲜卑人和乌桓，也成为了突骑的另一重要来源。在他们的冲*下，北匈奴单于和剩存部众溃败而去、四散奔逃。
相较于西汉 东汉的骑兵水平已有显著提升
战后，汉军乘胜追击逃窜的匈奴人。在涿邪山北侧的邦察干湖，汉军斩*名王以下13000级，俘获牲畜百万头，基本消灭了北匈奴的有生力量。但是胡汉两军的力量对比来看，这已经是一场实力完全不对等的战斗。相比西汉北伐，此时的匈奴已经非常衰败。
除此之外，汉军在南下归国的途中，扫荡了之前老上单于的龙庭和冒顿单于时代的匈奴北方城址。这里不仅是匈奴的政治重心，也是漠北自然环境比较良好的地区。汉军在这里的焚烧破坏有扫尘灭迹、犁庭扫穴的用意。此外还防止匈奴的残余势力或则其他的游牧民族填补北匈奴的生态位、占据漠北故地和汉朝为仇。
今日的匈奴北方城市遗址
最后，窦宪顺着翁金河谷一路南归，由邓鸿和南匈奴单于屯屠何的出发地五原郡回到塞内。途中，大军经过漠北地区的燕然山。面对山上的岩石，无比膨胀的窦宪开始封天禅地。他指令班固撰写一篇铭文，凿刻于山崖之上：
惟永元元年秋七月，有汉元舅曰车骑将军窦宪，寅亮圣明，登翼王室，纳于大麓，维清缉熙。乃与执金吾耿秉，述职巡御。理兵于朔方。鹰扬之校，螭虎之士，爰该六师，暨南单于、东胡乌桓、西戎氐羌，侯王君长之群，骁骑三万。元戎轻武，长毂四分，云辎蔽路，万有三千余乘。勒以八阵，莅以威神，玄甲耀目，朱旗绛天。遂陵高阙，下鸡鹿，经碛卤，绝大漠，斩温禺以衅鼓，血尸逐以染锷。然后四校横徂，星流彗扫，萧条万里，野无遗寇。于是域灭区殚，反旆而旋，考传验图，穷览其山川。遂逾涿邪，跨安侯，乘燕然，蹑冒顿之区落，焚老上之龙庭。上以摅高、文之宿愤，光祖宗之玄灵；下以安固后嗣，恢拓境宇，振大汉之天声。兹所谓一劳而久逸，暂费而永宁者也，乃遂封山刊石，昭铭盛德。其辞曰：
2017年被发现的 封燕然山铭石刻
铄王师兮征荒裔，剿凶虐兮截海外。夐其邈兮亘地界，封神丘兮建隆嵑，熙帝载兮振万世！
1000多年之后的2017年，这份铭文《封燕然山铭》被中蒙联合考古队发现。窦宪由于立此大功，由车骑将军提升为大将军，位在三公上，权势更盛。他派人继续招降北匈奴的余众，并在西海追上了北匈奴单于本人。虽然北单于承诺会效仿呼韩邪单于的例子南下归顺，但是他仅仅派出弟弟右温禺諟王南下做为侍弟。此后，北匈奴单于的影响力越来越弱，对西域的威胁也是大不如前。
正是因为这场胜利，极大减弱了班超面对的来自北匈奴和龟兹的压力。既然北匈奴单于都成了丧家之犬，活动在东天山的匈奴人自然也就无甚可惧。公元90年，汉朝军队回到了伊吾，汉朝军队可以就近监视龟兹等国，极大的减少了班超在西域的压力。在助攻的加持之下，当班超准备对龟兹和焉耆等国大动干戈、为战死的西域都护报仇雪恨的时候，仿佛是从天而降一般，一场来自西方的外患正在袭来，威胁东汉在西域的脆弱统治。这次来袭的，是和汉朝颇有渊源的西域大国--大月氏......
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