亲政以后，康熙手书：“三藩、河务、漕运”条幅悬挂宫中，以示解决三藩问题是国内目前要政之首。三藩乃前明降将吴三桂、尚可喜、耿仲明，他们为清兵入关和经略江南半壁河山父死子继，力效犬马之劳，分别被封为平西王、平南王和靖南王，镇守云南、广东和福建。他们各有自己的财政、军政和用人行政特权，逐渐成为割据一方、威胁中央集权和国家统一的藩镇势力。尤其是吴三桂，他坐镇云贵，广敛钱财，拥兵自重，时刻准备举旗反叛。
尚可喜年老多病，将藩务交给儿子尚之信主持，不料尚之信残忍狂暴、酗酒嗜杀，深更半夜无缘无故，即以佩刀刺杀侍者，尚可喜对他已毫无制服之法，既害怕儿子早晚出祸，也不甘心忍受逆子挟制，便在康熙十二年（1673年）三月上书奏请回辽东养老。早有撤藩之意但审慎未决的康熙将奏折交给王大臣会议后，决定将平南王藩下官兵全部撤回辽东安插。
吴三桂和耿精忠（耿仲明孙，已袭靖南王爵位）听到消息后，也于是年七月假意奏请上交藩王印信，请求撤藩，实则试探朝廷动向。康熙对此非常重视，立刻召集议政王大臣会同户、兵、刑三部会议研究撤藩奏折，重点讨论吴三桂的疏奏。年轻的康熙皇帝力排众议，作出最后裁决：“从其所请”，将三藩全部撤往山海关外。
吴三桂接到撤藩谕令，气急败坏。他自负自从导引清兵入关以后，手不释刀，马不停蹄地追击农民起义军，消灭南明小朝廷，出湖广、下川陕、克滇黔，直至坐镇云南，劳苦功高，清廷会对他加意慰留，不料康熙却“近以地方底定，故允王所请，搬移安插”，语气之坚决，连一点回旋的余地都没有。在三藩之中，他的势力最大，野心也最大。他以平西王府的名义任命官员，吏兵二部不能干预；由他推荐的“西选”官员遍布各地，凡要害地方和部门，他都千方百计地安插亲信；世子吴应熊娶了顺治帝的妹妹为妻，算是康熙的姑父，也是吴三桂在京师的耳目。
吴三桂表面上接受了折尔肯和傅达礼带来的撤藩令，实则拖延时间，计划率部以迁移为名行至中原，突然举兵，一举叛变。于是，他秘密派人联络尚之信和耿精忠，约期策应；同时封闭所有入滇要道，往来行人只许进，不许出，严防走漏消息，傅达礼和云南巡抚朱国治不时催问搬迁情况，可每次得到的回答都是“缓商”。傅达礼知道这是吴三桂的拖延待举之计，为防日久生变，便回朝复命，行至中途就被截回。吴三桂也知道计谋败露，于康熙十二年（1673年）十一月二十一日召集麾下官兵蓄发易服，发动叛乱。他启封“天下都招讨兵马大元帅”，以崇祯帝三太子的监护人自居，打着“反清复明”旗号，传檄远近，声扬自己为了宗庙社稷和先君复仇，并诬称清朝入关三十年来的统一战争和政治统治造成中原“山惨水愁，妇号子泣，以致彗星流陨，天怒于上；山崩土裂，地怨于下”；鼓吹自己兴兵叛乱是“伐暴救民、顺天应人”。
吴三桂举兵叛乱后，闽、粤两藩也蠢蠢欲动，前明故旧孑遗虽不齿于吴三桂的行径，却为他能搅翻清室天下而称快，遍布各地的吴氏党羽纷纷响应，东南沿海一带又见偏安台湾的郑氏官兵，一向与前明相善的朝鲜也激动不安，一股强大的反清潮流波翻浪涌，各地告急文书频频传至北京。内宏文院大学士索额图敢擒鳌拜，却对三藩之乱张皇失措，竟然要求处死主张撤藩的明珠等人，以谢叛逆。但康熙皇帝处乱不惊，临危不惧，严厉痛斥这种论调，他认为：吴三桂是叛乱祸首，消灭了吴三桂，则其余乱党不攻自破。因此，他果断地召回闽粤撤藩使，对耿、尚两藩暂行安抚，拆散他们与吴三桂的三角联盟，而对吴三桂采取重点打击的战略。在军事上，康熙先派都统率6000满洲精骑以阻叛军东犯京都和湖广；命西大将军率精骑进驻军事要地，以保关中和中原后方的安全；次年二月，又以陕西战略位置重要，南通巴蜀，西控番回，东接中原，特遣刑部尚书莫洛进驻西安，会同将军、总督便宜行事，巡抚、提督以下地方文武悉听节制。可以看出，康熙的军事部署一开始就将平叛战争划分为两个主要战场进行。
战争初期，叛军凶锋正锐，一些清军将领庸懦畏死，常德、长沙、岳州、澧州、衡州等要地先后失陷，吴军直抵湖北、四川，迫使清军统帅困守荆州、武昌，畏葸不前。吴三桂一面亲自督战，猛攻川楚，一面通过西藏达赖喇嘛致书康熙，要求裂土罢兵，划江而治。战争的暂时失利丝毫未能动摇康熙的平叛决心。他处死吴应熊及其长子吴世霖以乱吴三桂的心志，并坚决回绝了达赖的斡旋，表示：“朕乃天下人民之主，岂容裂土罢兵？但（其）果悔罪来归，亦当待以不死尸！”
和议不成，吴军兵分两路：一路由他亲自挂帅，从长沙进窥江西，连续攻克30多座城池；另一路由悍将王屏藩督率，经四川进窥陕西，接应吴三桂养子王辅臣叛军，吴三桂气焰嚣张，扬言将乘胜夺取荆州，会师西安，进攻北京。
王辅臣的叛变一下子将两个主战场变为六个，形势骤然紧张起来。康熙一方面派安亲王岳乐为定远平寇大将军出兵江西；派简亲王喇布为扬威大将军统师镇江；贝勒洞鄂为定西大将军策应莫洛由陕西进攻四川；康亲王杰书为奉命大将军、贝子赖塔为宁海大将军，由浙江会攻福建；令尚可喜与两广总督金光祖兵出广东，会攻广西。另一方面，康熙对王辅臣部采取了剿抚兼施之策：派王辅臣的儿子王继贞持上谕劝降，从而使王辅臣首鼠两端；同时又令陕西督抚、提、镇坚守驻地，而派大军驰援宁夏、陕北和陇东；先后任命甘肃提督张勇为靖逆将军、大学士图海为定远大将军，节制西北诸路兵马，便宜行事。康熙十五年（1676年）春，图海集中兵力，采取调虎离山之计，攻克平凉，扭转了陕甘战局。到该年六月，王辅臣兵败投降；吴三桂悍将王屏藩部也节节败退。从关中到汉中直至逃回四川，陕甘全境告平。
南线诸战场，清军与吴军在湘、鄂、赣一带进行长期的攻守拉锯战。康熙十七年（1678年），清军平定闽粤，耿精忠、尚之信先后反正，江西也告收复，湘鄂一带吴军已成孤势。吴三桂恐部下解体，赶忙在衡阳草草修建了百余间庐舍，顶上漆以黄色权当宫殿。三月二十八日，吴三桂“郊天即位”，改国号为“大周”，年号昭武，封妻子张氏为皇后，立吴世璠为太孙。时值风雨大作，“皇宫”被风刮雨涮，东倒西歪，面目全非，登基仪式即潦草收场。之后，吴三桂为手下叛将加官晋级，又匆匆举行云南“乡试”，搜罗了73名“举人”装点门面。但是，吴三桂的登基、改号、“乡试”闹剧只是垂死挣扎。他自知大势已去，末日来临，死前要过一下皇帝瘾。这些丧心病狂之举使他的政治处境更加不利，军事形势加速恶化，前线清军攻势日益猛烈。是年八月，吴三桂急病交加，暴死衡州。
吴三桂死后，“皇太孙”吴世璠继位，改元洪化。这时的叛军已兵无斗志，一路溃退云贵。为了加快平叛进程，康熙下令：胁从叛乱，缴械投降者，宽大处理；反正立功者，将功折罪，论功行赏。这项决定从政治上瓦解了叛军士气，除少数死顽分子坚持与清军决战以外，大多数叛军已无心抵抗，一经接战即弃阵投降。于是，短短一年多的时间，湖北、湖南、四川等地很快落入清军之手。吴世璠只能龟守云贵老巢。
康熙十九年（1680年）十月，康熙命令清军兵分三路会攻云贵，勇略将军兼云贵总督赵良栋率领四川方面军镇压了反复不定的蜀地叛军后，于康熙二十年（1681年）九月与第一、第二路军会师昆明，将吴世璠叛军重重围困在城中。赵良栋身先士卒，诸军协同力战，直逼城下。十月，城中食尽，南门叛军投降，吴世璠服毒自杀，手下诸死党或持刀刎颈，或引火焚身。
历时八年，战火燃及大半个中国的三藩之乱终于宣告平定。平叛战争中，康熙运筹帷幄，处乱不惊，指挥若定，显示出超卓的政治远见和军事战略才华。在财政经济方面，康熙命令各地裁革浮费、核减田赋税额，同时又改折漕贡，增加盐课杂税。这些措施在一定程度上减轻了人民负担，增加了国库的实际收入，保证了平叛战争的物资供应。所以，平叛战争的胜利也是康熙理财有方的结果。总之，平定三藩叛乱的胜利使康熙皇帝无可置疑地载入了中国历史上最杰出的政治家和军事战略家的行列。