国万骑从翩阳塞（固阳县境）出兵。三路大军在涿邪山（今蒙古西部、阿尔泰山东脉）会师。
因为有赵升等人的帮助，先后除去了匈奴人的巫师，又有赵升等人利用五行推算堪舆地形，有苍椿子、碧阴、慕容垂等人刺杀敌酋，自此窦宪一帆风顺。
窦宪命副校尉阎盘、司马耿夔等率精兵一万多，与北单于在稽落山（今蒙古境内杭爱山）作战，大破敌军。敌众溃散，单于逃走。窦宪整军追击，直到私渠比鞮海（乌布苏诺尔湖）。此役，共斩杀名王以下将士一万三千多人，俘获马、牛、羊、驼百余万头，来降者八十一部，前后二十多万人。窦宪、耿秉遂登燕然山，去塞三千余里，刻石勒功，纪汉威德，令班固作铭。
因北单于已逃到远处，窦宪一面派司马吴汜、梁讽携带金帛追寻北单于，企图招降他。一面班师回国，驻扎五原。
当时，北匈奴人心离散，吴汜、梁讽所到之处，宣明国威，前后有万余人归降。在北海西北的西海，追上了北单于，劝说他仿效当年呼韩邪单于归汉的先例，以求保国安人。
北单于喜悦，率领他的部下与梁讽一起回到私渠海。听说汉王朝大军已入塞，就派他的弟弟右温禺疑王随梁讽到洛阳，向汉朝廷进贡，并留侍汉和帝。
窦宪见北匈奴单于没有亲来洛阳，认为他尚乏诚意，便奏请朝廷遣归右温禺鞮王。准备再次出征。在漠北，南单于送给窦宪一只古鼎，能容五斗，上面有“仲山甫鼎，其万年子子孙孙永保用”的铭文。窦宪献上朝廷。
永元三年（91年），派右校尉耿夔、司马任尚、赵博等率兵出居延塞，在金微山大破北单于，斩首五千余级，北单于遁逃，不知去向，其国遂亡。
窦宪平定匈奴，威名大盛。也渐渐消除了之前担忧，不再害怕被皇帝处死，他觉得自己已经掌握了大权，何必要起兵呢？
于是以耿夔、任尚为爪牙，以邓叠、郭璜为心腹，以班固、傅毅皆置幕府，以典文章，把揽朝政，占据要津。一时刺史、守令等官员多出其门。尚书仆射郅寿、乐恢因为违忤窦宪之意，相继自杀。朝臣震慑，望风承旨。窦笃进位特进，窦景为执金吾，窦瑰为光禄卿，兄弟当朝，贵重显赫，倾动京都。
而窦景尤为骄纵，妓客也依仗势力，为非作歹。他们侵凌平民，强夺财货，篡取罪人，抢掠妇女。搞得京都商贾闭塞，如避寇仇。而主管官吏，噤若寒蝉，忍气吞声，不敢举奏。
司徒袁安见天子年幼，外戚专权，深为忧虑，言及国家大事
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