为了尽早擒拿噶尔丹，康熙着手重新部署西北军，让孙思克和博霁率兵和驻扎在西宁的幅都统阿南达会合，于西北各组亲密合作，令阿南达于土尔扈特部、和硕特部、准噶尔部、哈密回部各台吉头人等，四面甚至哨卡，进而形联合防线，以阻止噶尔丹再次西讨。
十一月初七，阿南达接到密报，说噶尔丹方面将会派信使前往西北联络部署，后阿南达派人截获这名信使，并从信使所携带的信中得知噶尔丹托达赖喇嘛照看其子塞卜腾巴尔珠尔，根据信中提到的情报，请方面周密部署，终于在哈密附近抓到了噶尔丹之子塞卜腾巴尔珠尔。
此事的噶尔丹陷入了孤立无援的境地，他的亲信头目如阿喇卜滩、格垒沽英等先后降清，另一个亲信吴尔占扎卜则指噶尔丹“如不降，当另图一策，首鼠两端，而待毙乎”，而噶尔丹除埋怨“初不欲来克鲁伦地方，为达赖喇嘛煽惑而来，是达赖喇嘛陷我，我又陷尔众人矣”外，也一筹莫展。当时留在噶尔丹身边的仅有阿拉尔拜、讷颜格隆二人，“余下不及百人，其有余者，人各有马驼二、三，而止有一马者为多，无马者近三十人，牛羊则全无，捕兽而食，不获兽则杀马驼以食”。
然而，噶尔丹岂会心甘情愿投降，在西方的一则文章里这样记载：“（康熙）皇帝后派去了两个准噶尔人，他们也被（噶尔丹）接见了，他们向他报告了帝国的实力以及被俘人员等如何在中国得到了一个舒服的收容所。当然，所有这些话，那个骄傲的首领，是听不进的。据说，他一言不发地中断了接见。很明显，他绝没有泄气”。
康熙三十六年（1697年）三月初，噶尔丹流窜到阿察阿木塔台地方，“噶尔丹所，有诺颜格隆阿喇儿拜，下有一百余”。噶尔丹还“曾遣人约丹济拉，会于阿察阿木塔台”，据一个卫拉特俘虏口述：“噶尔丹下人，但捕兽为食外，并无余物，视众人形状，窘迫已极，问其马亦甚瘠，膔大者少云。”
康熙除了让孙思克、傅霁二人率所留之兵驻守甘州外，还让由费扬古率领喀尔喀、黑龙江和察哈尔兵，以及蒙古各旗汗王、贝勒、贝子、台吉等情愿效力者，出宁夏至郭多里巴尔哈孙之地。噶尔丹的侄子策妄阿拉布坦也同阿玉哥分别出兵于阿尔泰山以南驻扎，安岗设哨，准备力擒噶尔丹。
康熙帝向来喜欢照顾与进剿并驾齐驱的方法，于是，康熙帝再次遣使持敕谕招降。敕谕的内容主要有三点：
其一，令噶尔丹速来请降，拖延有害无益；
其二，达赖喇嘛早已圆寂，噶尔丹一直以护法为由不过是欺骗大众；
其三，噶尔丹想要逃亡的目的地，也皆已被清政府知悉。
同时，还谕令厄鲁特和丹济拉众台吉、寨桑等，促其速降，并表示对一切归降者，清廷将妥善安抚，使其得所。诸方事宜基本安排就绪后，康熙继续深入前线战场。
闰三月十五日，康熙率众以银川为出发点，沿黄河西岸北进，二十九日抵达船站，亲送八旗前锋兵和黑龙江兵起程。
四月初一日，康熙阅鸟枪兵，送绿旗兵出征。吸取首次亲征西路军粮饷不继导致士兵饿死的教训，康熙下令将五百石米存于狼居胥山附近的驿站，同时调来一千四百多匹战马，为返回的部队补给粮草马匹。一切就绪，噶尔丹插翅难逃，康熙预言道：“噶尔丹无所逃矣，或降或擒或自尽，否必为我所擒。”
此时，因京中还有颇多事宜需要处理，于是康熙于四月七日班师回朝，不出所料，山穷水尽的噶尔丹“惊闻清军到来，寝食俱废，反复思维，无计能逃”，终于在闰三月十三日于阿察阿穆塔台饮药自尽。噶尔丹终以悲剧英雄划出了自己政治生命的最后一个句号。
随后，丹济拉等人携噶尔丹的骨灰和噶尔丹之女钟齐海，率三百户归降清朝，康熙闻讯后大为经系，立刻命费扬古选带精兵前往米丹济拉处，押护前来，其余的东路军和西路军则全部撤回，平定噶尔丹叛乱取得了最终的胜利。
议政王大臣的奏请下，康熙行拜天礼，朝中众文武大臣行庆贺礼。康熙亲著《剿灭噶尔丹告祭天坛文》，概括了三征噶尔丹的经过，并简要总结了剿灭噶尔丹的经验：
第一，他充分肯定了三征之必要性，虽然是皇帝亲征，但屡屡遭到大臣们的反对，他不得不独断专行，但事实证明，“塞外情形不可臆度，必身历其境乃有确见”；
第二，三次亲征在时间上未间断，未给敌人过多的休养生息的时间；
第三，前方军队和后方粮草供应一定要衔接上，今后若有兴师之举，也应效法此举；
第四，对蒙古的统治关键在于控驭有道；
第五，在用人遣将方面，他认为被委派的将领要有见机行事的能力，不可行动迟缓，更不可操之过急。
康熙三次亲征朔漠，终于平定了准格尔部噶尔丹的分裂势力，扫除了西北地区的不安定因素，巩固了北方边防；同时又以亲善和睦的民族政策较为妥善地处理了蒙古各部盟同清政府之间的关系，实现了漠北蒙古的统一，加强了中央政府对厄鲁特蒙古和喀尔喀蒙古的统一管辖，稳定了当地的社会秩序。这使我国的北方边境重获宁谧，同时还为进一步团结蒙古，保卫国家的领土完整和人民的安全，筑成了一道抗击沙俄侵略的有力屏障，对于抵御外敌侵犯有重要的意义。
康熙三十六年（公元1697年），清政府将喀尔喀蒙古各部遣送回他们原来的牧场，又在乌苏里台和科布多等处设立将军和参赞大臣，加强对蒙古地区的管辖。
