匈奴合兵，发动了对北匈奴的大举反击战。是年六月，汉军出朔方，与北匈奴军在涿山激战，一举打破之，随后一路追杀，直杀到今天内蒙古杭爱山下，一路仅招降俘虏北匈奴就有20万人。这次出兵是对北匈奴毁灭性的打击，得意洋洋的窦宪也分外高兴，在杭爱山勒石记功而还，可谓对当年封狼居胥的霍去病有样学样。这场酣畅淋漓的大胜，就是后来宋朝名臣范仲淹心向往之的“勒燕然山”。
燕然山之战对北匈奴的打击可以说是毁灭性的，当时北匈奴的整个人口不过几十万人，一场厮杀连投降带被俘，北匈奴几乎损失了一半以上的人口，这场打击的灾难性，甚至超过了西汉时期卫青霍去病的漠北之战，和东汉的战争确实不能再继续了。东汉方面，先前反对出兵的司徒袁安，在窦宪获胜后，火速提出了招降的建议，认为这将是一劳永逸解决匈奴问题的好机会。依照袁安的建议，汉朝派梁讽等人为使者，去北匈奴藏匿的巴尔喀什湖地区招降，在梁讽的劝说下，穷途末路的北匈奴单于最终动心了，他们准备效仿南匈奴，彻底向汉朝投降。如果此举成行的话，恐怕后来匈奴骑兵肆虐欧洲的大战，也就不会存在了。
意外偏偏在这时候发生了，招降的事情，文臣们很高兴，太后很高兴，北匈奴也很高兴，唯独窦宪不高兴，在他看来，这分明是在和他抢功。同时南匈奴也不高兴，南匈奴和北匈奴是死仇，在他们眼里，部落矛盾永远大于民族矛盾。于是，窦宪和南匈奴单于一拍即合，干脆趁着北匈奴接受招降，疏于防范的机会，再打一次大规模进攻，一劳永逸解决北匈奴问题。公元90年七月，汉军与南匈奴两路夹攻，杀入了北匈奴的王庭，疏于防范的北匈奴大军顿时崩溃，匈奴单于的老婆阏氏以及1万5千多人被俘。具有讽刺意味的是，汉使梁讽和班固，此时就奔走在奉命册封北匈奴的路上，他们到达的时候，看到的却是一地死尸。
从此以后，北匈奴战不能战，降也不能降，剩下的唯一一条路，就是西迁了。公元91年二月，窦宪再次出兵，在金微山（阿尔泰山）包围北匈奴残部，俘虏了单于的母亲，单于则率领几千人突围北逃。这是汉匈战争历史上最后一次大规模的战斗，自此以后，北匈奴开始了悲壮的西迁之路，绕过咸海，向遥远的西方迁徙而去，在伏尔加河流域定居下来，成为4世纪前叶活动于伏尔加河流域的匈人的祖先，或许在那里继续圆已经在大漠之上破碎的重建匈奴帝国的美梦。一个多世纪后他们出现在欧洲，这又是另一个故事了。