前面提到，北匈奴早就想好了应对联军的策略，只需要以逸待劳，汉军和南匈奴的军队就会大败而去。可惜他们不知道，不止匈奴人了解草原，某些汉人也对草原和大漠了如指掌。其中最具代表性的就是耿秉。
十六年前，大将窦固出酒泉（今甘肃酒泉）西进，直到天山，占领北匈奴最肥沃的耕地之一伊吾卢（今新疆哈密），留兵屯垦。另一位大将就是此次和窦宪一起出征的耿秉。耿秉在大军出征以前，就对匈奴地区的风土民情、气候地形等进行了深入的了解。此次出兵，正可以一展所长。耿秉率军出张掖（今甘肃张掖）北进，深入三百公里，直到三木楼山。可惜北匈奴坚壁清野，下令向后撤退，没有受到重大创伤，然而耿秉却因为那一次的从军经历而对大漠草原的环境了解至深。
此次是耿秉第二次深入草原作战，虽然他只是副将，却也深得窦宪的信任。窦宪见大军进退维谷，军中将士多有返回洛阳之意，只能向耿秉咨询部队下一步的方向。耿秉当然明白，其实这一场战役本来就是不必要的，只是若贸然建议部队回去，窦宪不仅会颜面尽失，还会罪上加罪。这当然不是窦宪所希望的，因此，要想这一切都不发生，大军只能继续北进，而且还必须一战而胜。可是如今北匈奴大军逐渐向北而去，大军这么久也没瞧见北匈奴的踪影，又怎么能够一战而胜之呢？
耿秉见军中主将均是有口难言，便神色从容地向窦宪进言。当此之时，正要入秋，北方温度亦开始下降，水草越往北就越稀疏，因此，北匈奴也不能马不停蹄地向北而去，万般无奈之下，只能向南转战，才不至于将自己的军士和百姓困死。耿秉在分析了这些因素之后，建议大军继续北进，同时加紧派出更多的探子，以搜集战略情报，找到北匈奴主力。
窦宪闻言，心怀大畅，不禁感慨道：“耿秉之见，诸将不及也！”
于是，窦宪和南匈奴单于商议，部队继续分开向北进军，同时保持各方的信息通畅，部队队形也需要保持犄角之势，以防在遇上敌军偷袭之时，可以互相驰援。
北匈奴此刻也意识到，汉军如果再不撤退，自己便再不能往北走了，一旦秋天过去，百草萧瑟，牧民的牛羊马以及部队的战马都只能饿死，匈奴就真的会全军覆没了。因此，只有南进，在最短的时间内，找到汉军，才能趁匈奴军士士气旺盛、战力未衰之时，一举攻破敌方联军的围困之势。
连日下来，汉军又向北进军了五百余里，但始终没有看到北匈奴大军的踪迹，军中将士对此也大多生出退却之心，窦宪见此，亦不免忧心忡忡。耿秉见状，急忙向窦宪进言，暂时命令大军停止进军。耿秉考虑到，汉军行了这么久，应该就快和北匈奴大军交锋了，如果此时联军任意一部遇上北匈奴，都难以保证必胜。即使是胜利，也只会“杀敌一千，自损八百”，因此，当务之急，只有将大军合为一部，才能够在遇上匈奴大军之时，保证自己军队战力的绝对优势。
窦宪闻言，感到很有道理，于是令属下向大军各部传递将令，让他们急忙向中军收缩，会师一处。与此同时，窦宪还派出副校尉阎盘、司马耿夔、耿谭率左谷蠡王师子和右呼衍王须訾等一万精骑为先锋，以策应主力大军的安全。不久，几路大军在涿邪山（今蒙古西部、阿尔泰山东脉）会师。
当大军进至稽落山地区时，与北单于统率的主力部队相遇，连日来，汉军一直不见北匈奴大军的影子，乍见之下，大喜过望，主将一声令下，大军如过山蚂蚁一般，潮水般地向北匈奴奔去。反观北匈奴的大军，连日来都在躲避汉军，心中在就留下了害怕的阴影，双方部队激战之下，汉军大败北匈奴军。北匈奴军溃散，单于趁乱遁走。杀得眼红的汉军一直追至私渠比鞮海（今蒙古邦察干湖），斩杀匈奴单于以下一万三千人，获马牛羊等百万多头。温犊须、温吾等八十一部归降，前后共有二十多万人。窦宪、耿秉等将领登上燕然山（今蒙古杭爱山），中护军班固为其刻石作铭，记述其丰功伟业，流芳百世。此刻，北匈奴已经元气大伤，难以翻起什么大浪，于是窦宪派出了吴汛、梁讽携带金帛去招降北单于。招降途中，吴、梁二人又收降一万多人。追上北单于后，吴汛向他宣明汉朝的威德，并赐以金帛。单于于是决定仿效呼韩邪单于，做汉的藩属，保国安民。于是，在单于的带领下，北匈奴残部便随吴汛等率众东返。
《后汉书》记载：“九月庚申，以车骑将军窦宪为大将军，以中郎将刘尚为车骑将军。”