清康熙二十九年七月二十日，正当苏南浙北战事方兴未艾之际，由福宁指挥的清军主力抵达克什克腾旗的土尔埂伊扎尔。清军在此地就地宿营，整个营区长达六十里，宽二十里，驻军近十万之众。
同日，福全遣使寻到准格尔营地对噶尔丹言道：“汝阑入我边汛，尚书阿喇尼等不得不迎战。汝向与天朝修贡通好，此来追喀尔喀耳。今喀尔喀劫夺我外藩，肆行悖乱，亦与我朝相失。圣上特遣和硕裕亲王及皇长子来，与汝申明礼法，自兹以往永定盟好。”
在此，清廷语气大为改变，承认噶尔丹南下是为“追喀尔喀。”并表示喀尔喀为清廷和准噶尔的共同敌人，皇上遣重臣前来就是为了共商解决问题之办法。
为进一步消除噶尔丹的疑虑，还特意说明清使臣带兵前来并不是为了打仗，“汝不闻前者，我朝出兵俄罗斯，以礼和好，不战而归乎。”
可是噶尔丹早就看出清廷假谈真打之用意，于是将计就计，欺骗对方，遣使清廷再次申明入边之原因：“喀尔喀吾仇也，因追彼阑入边汛。向在中华皇帝道法之中，不敢妄行。”康熙复函噶尔丹，说明清廷并没有许诺交出土、哲二人，“岂有正事尚未议定，即可言执土谢图汗、哲布尊丹巴以畀汝乎。此皆使臣设计脱身而为此言也。”
此时病重返京的康熙在病榻上传令福全曰：“噶尔丹处应作何羁縻以待盛京、乌喇、科尔沁之兵王等，其遗之牛羊以老其锐气，疑其士卒。”
福全奉命立即遣人送去羊百只和牛二十头，并致函希望共同约定地点进行和谈，彻底解决喀尔喀问题。然而，此举并没有奏效，噶尔丹接受福全送来的礼品，却不对和谈一事透露半点口风，弄得清军使臣并一众随营大臣不知所措。
福全无奈地向康熙奏报：“臣思大兵既出，彼必知之。臣等今往克一奔，而噶尔丹又驻弼劳口。欲回趋拜察以御之，又恐彼向西而往。噶尔丹狡诈多端，踪迹难定。大兵迂回猝难，调遣不若，暂驻哈卜他海海他哈地方，再定所向。”
尽管准噶尔和清廷之间使者往来频繁，相互多次表示友好，但双方已经箭在弦上，缺乏诚意，和谈的种种努力均告失败，双方的大战已经不可避免了。
七月二十九日，噶尔丹的部队开抵乌兰布通山之线，并在山上扎营。乌兰布通山间林木茂密、山势险要，东西两侧又有大面积的沼泽区，因此易守难攻，更主要的是在这种地形之下，清军的优势兵力也不容易得到发扬。
八月一日，被准格尔骑手故意引诱而发现噶尔丹大营的清军离开土尔埂伊扎尔营地陆续开抵乌兰布通山下。当日下午便使用泰西传教士帮忙铸造的“武成永固大将军炮。”和“神威无敌大将军炮。”轰击噶尔丹的营地，但是清军的炮火虽然猛烈但由于是仰射因此准头甚差，只是在准格尔人的“驼城。”内外激起了一些尘土，造成了极少数的人畜死伤。
所谓“驼城。”就是把骆驼的四肢绑住令其卧倒在地，然后堆上木箱和用水沾湿的毛毡，士兵可以躲在驼峰与木箱之间向外射击。但是准格尔人犯了一个极大的错误，那就是没有意识到清军会有数目较多的火炮，因此没有堵塞住骆驼的耳朵，当如雷的爆炸声次第响起的时候，受惊的骆驼发疯般摆脱捆扎的绳索，受此一变，驼城便纷纷垮塌了。
见到准格尔人的“驼城。”不堪用了，清军便以为胜券在握，于是罔顾不利的地形纷纷向山上杀去，结果却遭到准格尔军用弓箭和滑膛枪的猛烈狙击，清军死伤枕藉，好不容易杀到了“驼城。”边，又在短兵相接中被悍勇的准格尔人给逐了出来。
丢下上千具尸体的清军狼狈不堪的逃下乌兰布通山，指挥作战的裕亲王福全虽然鼓动全军再战，然而能打的陕西绿营已然成了空壳，剩下的八旗兵和内蒙兵又全然无用，不得已福全只好休兵罢战。鉴于清军的兵力依旧众多，人数只有清军五分之一的噶尔丹也不敢主动挑起战斗，由此这一天的战事就此落幕。
对此惨败，福全却奏报：“抚远大将军和硕裕亲王福全等疏报，七月二十九日，臣等闻厄鲁特屯于乌阑布通，即整列队伍。八月初一日黎明前进，日中见敌，设鹿角枪炮，列兵徐进。未时，临敌，发枪炮击之。至山下，见厄鲁特于林内隔河高岸相拒，横卧骆驼，以为障蔽。自未时交战，至掌灯时，左翼由山腰卷入，大败之，斩杀甚多。右翼进击，为河崖淖泥所阻，回至原处而立。本欲尽灭余贼，但昏夜地险，收兵徐退。其噶尔丹死于乱兵与否，俟后查明另奏外，事关大败贼众，谨以奏闻。”
关于这一天的战事，当时在清廷供职的法国传教士白晋在给法国路易十四国王的报告却如此说道：“在反击厄鲁特汗的一次战役（注：即乌兰布通之战）中，皇帝知道他的军队所以蒙受重大损失而未能将敌军彻底击溃，是因为厄鲁特人仗着良好的排枪的强大火力，迫使皇帝的骑兵退出战线。”
白晋还写道：“此后，皇帝就命令他的骑兵，甚至侍卫中的精骑兵，练习在骑马跑动时，或者勒马站停时使用火器和弓箭。”
而白晋的说词可以用《亲征平定朔漠方略》中记载的记载加以应证：“上谕大学士伊桑阿等，我军近与厄鲁特战，排列太密，为贼人乱枪所中，且进退不鸣笳，此皆不习战阵之故也。自古兵法无不预加训练。前者，八旗之兵，春秋校猎，即训练武备之意。但校猎恐疲兵丁之马，今既停止校猎。其令八旗兵丁，春秋二季集于旷阔之地，布阵鸣笳，教练步伐。”
甚至连康熙的舅舅佟国纲，也在这一天的撤退中被准格尔军的滑膛枪子弹打死了，由此可见清军当日攻击未果后的惨状。
而关于这一天准格尔军的伤亡情况，福全在另一份战报如是写道：“八月初一日，击败噶尔丹，薄暮收军。次日，即前进剿杀余寇，见噶尔丹据险坚拒，故使我将士暂息。”
情况已经很明显了，八月一日下午激战后，噶尔丹不仅没有被击败，反而集结军队，凭险固守，阵地并未动摇。
对此，当时供职于清廷的法国传教士张诚记述乌兰布通之战时说：“厄鲁特王迎战。这个王所占的地形极为有利，他虽然缺少象帝国军队那种配备优良的大炮，军队的人数也少，但他仍不顾双方力量悬殊，迎接对方的挑战。开始时他的前锋受敌方的炮击损失甚重，这迫使他改变战斗部署。由于他布防在大沼泽后面，皇帝的军队不能包围他。他非常勇敢地进行防御，直到夜幕降临，各方才都收兵回营。”
由此可见，战争开始时准噶尔军遭到清军炮击，的确受到一些损重，但在当天作战结束的时候，双方的力量实质上形成了对峙，未能分出胜负甚至可以说是噶尔丹获得了胜利。
噶尔丹在八月一日下午的激战中虽然获胜，但他毕竟孤军深入，没有后继，不可能坚持长期作战。而清军虽遭重创，但兵力仍很雄厚，所增调之各路军队陆续挺进乌兰布通，即将对准噶尔军形成包围之势。在这种形势下，迅速脱离战斗，退回漠北，才是噶尔丹的惟一出路，否则后果将不堪设想。
为了己方大部队安全撤退，并不知道郑军在江南地区已经登陆的噶尔丹采取了与清军讲和的策略，并精心设计了一套谈判程序。
八月二日，噶尔丹派大喇嘛伊拉古克三呼图克图到清军统帅部请和，以自己军事胜利作为筹码，向对方发起心理攻势，坚持索要土谢图汗和哲布尊丹巴呼图克图，但遭到清军统帅们的严厉拒绝。噶尔丹使者表示要继续谈判，并说“一二日内，济隆胡图克图即来讲理修好。”
八月四日，西藏大喇嘛济隆呼图克图率弟子七十余人到清军统帅部求和，承认噶尔丹“深入边内，部下无知，抢掠人畜，皆大非礼。”他一再解释战争是因为“索其仇土谢图汗及哲布尊丹巴，致有此误。”并无与“一统宇宙之主。”康熙作对之意。他降低谈判条件，放弃索要土谢图汗，只要求把“哲布尊丹巴遣送其师****喇嘛处。”济隆还说噶尔丹要撤出乌兰布通，到有水草之地等待议和。
福全等没有答应济隆的要求，并威胁说：“岂有因噶尔丹之言，遂遣送****喇嘛之理。因待汝来，稽我行事，我今即前进矣。”
济隆迫于清军的军事压力，表示只要允许噶尔丹撤出边外，其他要求都可以放弃其实，噶尔丹在乌兰布通尚未被清军所包围，后退之路依然敞开。但他担心一旦离开阵地就会遭到清军的围追堵截。所以，噶尔丹用讲和稳住清军，以便乘机逃脱。所以就在济隆呼图克图抵达清军大营的当天夜里，噶尔丹便率部迅速撤离乌兰布通，“自什拉磨楞河载水横度大碛山，连夜遁走刚阿脑儿。”这样一来，噶尔丹主动遣使讲和，争取三天休整后，乘清军不备，急速撤退，成功地甩开清军，奔向边外。只不过在归返科布多大营的途中噶尔丹遭遇瘟疫“得还科布多者，不过数千人耳。”
从此，噶尔丹失去染指清朝的能力，只有在漠北活动，战争的重心再一次转移到大陆的东南方向。