东汉永元元年，距离西汉卫青、霍去病北击匈奴已经过去近两百年，北匈奴依然盘踞在漠北草原，时常南下袭扰东汉边境，成为东汉北疆悬而未决的顽疾。此时的窦宪因卷入宫廷刺杀事件身负死罪，为求一线生机，他主动向窦太后请缨，要求领兵北伐匈奴，以战功赎去自己的死罪。恰逢南匈奴单于上书朝廷，请求联合出兵彻底剿灭北匈奴，东汉朝廷随即正式任命窦宪为车骑将军，统率汉军精锐骑兵八千，联合南匈奴、羌胡、乌桓等部落的联军，组成总兵力近五万的漠北远征大军。
窦宪率领各路大军从朔方鸡鹿塞等地分道出塞，各路兵马长途奔袭千里，最终在涿邪山会师。探知北匈奴单于的主力驻扎在稽落山一带后，窦宪立刻指挥联军分三路发起奔袭，在稽落山地区将北匈奴单于的主力团团包围。这一战联军势如破竹，北匈奴大军全线崩溃，被斩杀的名王以下士卒多达一万三千余人，缴获各类牲畜百万余头，先后有八十一个部落、总计二十余万北匈奴部众向联军投降。北匈奴单于仅带着少数亲兵仓皇突围，向漠北深处逃窜。
为了纪念这场足以载入大汉史册的空前胜利，窦宪率军继续向北挺进三千余里，登上了漠北的燕然山。他命令随军的史学家班固撰文，在燕然山的山崖上刻下铭文，记录这场汉军远征的赫赫战功，昭告大汉的威德远播绝域。这便是后世与“封狼居胥”并列的“燕然勒功”，成为中国古代武将远征草原的最高荣誉符号之一。刻石完成后，窦宪一面派遣使者沿着西海方向追击北匈奴单于，一面安排人马在漠北各地招降溃散的北匈奴部众，迅速稳固了稽落山之战的战果。
北匈奴单于逃到西域一带后，依然试图恢复势力，窦宪没有给对手留下任何喘息的机会。永元二年，他派遣汉军出兵夺取伊吾城，彻底切断了北匈奴与西域的联系，随后又指挥汉军夜袭北匈奴单于在河云的临时王庭，再次重创北匈奴残部。永元三年，窦宪派遣汉将耿夔率领八百精锐骑兵，从居延塞出塞五千余里，直捣北匈奴最后的据点金微山。这一战汉军大破北匈奴残部，斩杀北匈奴五千余人，北匈奴单于在混战中负伤，仅带着少数亲信突围逃走，从此下落不明，曾经称霸草原数百年的北匈奴政权就此彻底瓦解。
窦宪主导的这场持续三年的远征，彻底终结了延续数百年的汉匈战争，北匈奴的残余势力无法在漠北立足，只能沿着中亚草原一步步向西远徙，最终引发了整个欧亚大陆的民族迁徙连锁反应。这场远征不仅彻底解除了东汉北疆的边患，更将大汉的影响力远播到了漠北深处，“燕然勒石”的丰碑，也从此成为了中原王朝武功鼎盛的永恒象征。