时值北匈奴的优留单于被鲜卑人扒了皮，漠北大乱，铺天盖地的蝗虫又飞去凑热闹，把草原啃得一干二净，正是饥荒笼罩的时期。汉朝每年花一亿七八千万供养的南匈奴，在休兰尸逐侯鞮单于的任上，已经从四、五万人发展到近二十四万人，请求汉朝在此千载难逢的机会出兵，打垮匈奴，由他来统领草原。窦宪也认为机不可失，力主出兵。
顾命大臣窦宪的请求，迟迟得不到窦太后的批准。窦蕊不是不想打匈奴，她是舍不得阿兄。窦宪是窦家的领头之羊，万一有个三长两短，就是打败了匈奴，谁为他撑朝廷这个摊子呢！可是窦宪王八吃秤砣——铁了心，一心想借千载难逢的机会建立军功，巩固窦家在朝中的绝对主导地位，省得别人老说他们兄弟，是扯着妹妹的裙子上去的。他天天找妹妹说道，终于在米夏被召见那天说动太后，得任车骑将军，佩金印紫绶，让他比照司空府的规格，在朝廷点兵点将，配备属员。
如愿以偿的窦宪拿着尚方宝剑，尽揽能人大才，当朝两个最负盛名的文学家傅毅和班固，都到了他帐下担任朱雀和玄武司马，更以老将执金吾耿秉为副帅，调耿夔、邓鸿、吴汜、梁讽等将帅出征，很快发北军五校﹑黎阳﹑雍营﹑缘边十二郡骑士，及羌胡兵共三万多兵马出塞，后与南匈奴及度辽将军两路大军在涿邪山（今蒙古西部、阿尔泰山东脉）会师，摆出一副不胜不归的架势。
首次指挥作战的窦宪，没有任何经验，会师后就把一帮能征善战的将军，和南匈奴单于及左贤王召集起来，先敬了三觚酒，然后说自己虽为统帅，实则外行，仗怎么打，还得各位老将出主意想办法，全力帮衬，打了胜仗，功劳是大家的，我一定奏明圣上，给大家加官进爵。
这些人一看大权在握的窦宪挺尊重他们，不耻下问，不像在京时那般霸道，就给他分析，汉军的优势是准备充分，装备精良，兵力集中，劣势是深入大漠，远离后方，不宜久战；而北匈奴的优势是熟悉地形，行动飘忽，反应快速，劣势是力量薄弱，惧怕决战，且有大量老少部民拖累。建议他扬长避短，采用长距离奔袭、迂回包抄等战术，轻装疾进，速战速决，一旦逮住战机，绝不轻易放弃，每次击溃敌军后，都穷迫猛打，不让敌人有喘息机会，尽量在追击中歼灭敌人。
不管以前在朝中行事如何，窦宪在打仗时，绝不任性，而且很注意采纳群议，每次决断前，又特意征求一下副帅耿秉的意见，所以指挥起来，也是一板一眼，毫不含糊。他先在河云北夜袭敌营，小试锋芒，接下来派一路大军为先锋，在稽落山（今蒙古杭爱山）咬住北单于，待其渐渐招架不住，纷纷溃散之时，便指挥全军拼命追杀，直追到私渠比鞮海（乌布苏诺尔湖），共斩杀匈奴名王以下将士一万三千多人，俘获马、牛、羊、驼百余万头，招降八十一部，前后二十多万人，取得了决定性的胜利，连北单于本人也逃得不知去向。
大捷之后的总指挥掩饰不住内心的喜悦，与老将军耿秉商量，说咱们这一次打败匈奴，得留点纪念，以宣示大汉之国威，告慰先烈，警示后人。南匈奴单于休兰尸逐侯鞮，便领他们登上旁边的燕然山顶，这里一览众山皆小，离他们出塞的鸡鹿塞（今内蒙古磴口），已经有三千多里了。玄武司马班固才思敏捷，很快拟就一篇《封燕然山铭》，找石匠刻在山顶的一块大石头上。窦宪领着大伙儿，围着大石头欣赏了一会儿，虽然意犹未尽，还是下令大队班师退驻五原，只派吴汜、梁讽带一万多人马继续追寻北匈奴单于，试图招降。
班固这篇铭文，曾抄了一份辗转寄送给班超，字里行间虽然不少阿谀奉承之词，却也真实的记录了此役的战绩与意义，“陵高阙，下鸡鹿，经碛卤，绝大漠，斩温禺以衅鼓，血尸逐以染锷。然后四校横徂，星流彗扫，萧条万里，野无遗寇。于是域灭区殚，反旆而旋，考传验图，穷览其山川。遂逾涿邪，跨安侯，乘燕然，蹑冒顿之区落，焚老上之龙庭。上以摅高、文之宿愤，光祖宗之玄灵；下以安固后嗣，恢拓境宇，振大汉之天声。兹所谓一劳而久逸，暂费而永宁者也！”
匈奴兵败如山倒，树倒猢狲散。奉命追寻北单于的吴、梁二将，一路收纳万余降卒，并在北海西北的西海（今蒙古国西北部），找到了北单于，劝说他仿效当年呼韩邪单于归汉的先例，以求保国安人。北单于别无他法，只好就范，率领他的残兵与吴、梁一起回到私渠海。但这位并不甘心失败的草原枭雄，听说汉王朝大军已经入塞，又动了心思，以为可以喘一口气东山再起，只派他的弟弟右温禺疑王，随梁讽到洛阳。
窦宪见北匈奴单于没有亲赴洛阳，认为他缺乏起码的诚意，便奏请朝廷打发了右温禺鞮王，准备再次出征。朝廷同意窦宪的建议，窦太后于公元89年七月，以和帝的名义下诏，派中郎将持节到五原，任命窦宪为大将军，并封其为武阳侯，食邑二万户。