明軍的前鋒閻應元帶著三千精銳騎兵來到了臚朐河以南，遇上了林丹汗的軍隊，察哈爾部的騎兵是與明軍稍稍一接觸就敗走。閻應元的手下建議要乘勝追擊，功勞就都是前鋒拿下的。
閻應元打仗是很沉穩的，他下令道：“孤軍深入，敵人不斷示弱誘我上鉤，再前進必然陷入不利的境地，可是現在退兵已經遲了，恐怕會讓敵人有隙可乘。上策是停在原地結營自固，白晝則揚旗擊鼓，出奇兵與之挑戰，夜晚則燃炬鳴炮，虛張聲勢，使敵人難測我軍之虛實。等到陛下的主力到來，再全力進攻，必可取勝。即便不能取勝，亦可以全師而還。”
等到朱由校、沈有容帶著大軍與作為前鋒的閻應元會和之後，明軍才繼續前進。
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步步深入的明軍儘量隱蔽行蹤，每天只在黎明及日暮之前才生火做飯。朱由校派出軍隊的斥候，自己再用馴化的雄鷹高空偵查。這雄鷹隨軍時可以自己捕食草原上的動物，不用消耗明軍的食物。
終於在斡難河附近，明軍找到了集結的察哈爾部主力。朱由校用神藏閘讓草原雄鷹在天上偵查了一下，大概估算有四萬多敵軍，此時遠征到此地的明軍只有三萬人。
察哈爾部已經很久都沒有在草原深處與明軍作戰了，林丹汗下令讓輕裝騎兵進攻。他們打算按照傳統的打法利用自身機動能力強的特點時進時退，刻意與進犯的明軍保持一段安全的距離，這段距離將在長槍與砍馬刀的攻擊範圍之外，但是一定要在弓箭的射程之內，這樣一來，蒙古輕裝騎兵才可以在避免受到打擊的情況下不斷用手中的弓箭逐一而有效地射殺對手。
但明軍的一萬燧法式火銃可不是吃素的，見敵軍衝上來，火器營展開三段式射擊，噼裡啪啦地開火，在弓箭的射程之外就擊殺了數百敵軍，密密麻麻的槍聲讓馬匹受驚奔逃。明軍的馬匹都是在槍炮聲中長大的，沒有發生這樣混亂的問題。
有的輕裝騎兵衝到弓箭射程範圍內，朝著火器營射箭。然而火器營是依靠輕型戰車的擋板作為防護，飛來的箭矢都扎在擋板上，少有射到人身上的。
沈有容見敵軍有要敗退的趨勢，他下令讓明軍的三千重甲鐵騎上去衝陣。
帶領重甲鐵騎衝鋒的是考過進士的盧象升，他身材高大雙臂修長，一柄長刀掄轉如飛。這股鋼鐵洪流直接撕破了察哈爾部的陣營。林丹汗見狀不好，帶著兵馬撤退。
明軍主力踏著敵人縱橫交錯的屍體一口氣追擊了百餘里。將士們累得飢渴難耐。沈有容見狀，決定收兵回營。
夜幕降臨了，草原大地一片沉寂。明軍的營壘綿延數里，星星燈火在黑夜中閃閃爍爍……偶爾傳來一兩聲號角聲和軍營中的擊柝聲。在這不安的黑夜裡，顯得格外恐怖。
在接下來的兩天裡，林丹汗採取防禦的策略，希望能夠保持一個不勝不敗的平局。但對朱由校而言，平局就意味著失敗，假如戰況繼續僵持下去，後勤的壓力會增大許多。況且，明軍很難在對峙的狀態下安全撤離戰場返回塞內，陣前撤退很難保持秩序，極有可能導致軍心動搖而最終演變成一場人人爭先恐後逃竄的大潰敗。因此，明軍只有戰勝敵人，才能平安撤出蒙古草原。
沈有容為了保持主動，兵分兩路，抓緊時機鼓譟而進。
滿桂、閻應元、盧象升帶著騎兵強攻敵陣的右邊。且戰且退的林丹汗帶著兵馬拼命抵擋，企圖穩住陣腳。火器營帶領將士手持火器乘隙逼近敵陣，一輪接一輪地射擊，打得對方傷亡慘重。
敵陣的左邊由沈有容親自帶兵攻打，朱由校見戰局一時陷入膠著狀態，遂親自率領重灌騎兵再次衝陣，以求打破僵局。朱由校封閉了巨闕閘，提升身體力量，手拿一把大刀掄轉如飛，所向披靡，殺敵無數。
其餘的將士們見皇帝陛下如此神勇，紛紛狂吼著催馬殺了過去。
冬日昏黃，鐵騎縱橫；戰馬嘶鳴，刀劍閃光。空中怒卷著陣陣黃沙，草地上流著殷殷鮮血。震天動地的喊殺聲，和著戰鼓號角，讓林丹汗心驚膽戰。
察哈爾部將士竭盡全力也抵擋不住明軍的全線攻擊，終於崩潰，四散逃亡。
明軍透過簡單的整理，統計了一下斬首人數是四千五百多，察哈爾部實際的傷亡是超過一萬。明軍的傷亡是七千左右。
戰事仍未結束，因為朱由校不肯就此罷手，還要繼續指揮部署追擊，在連續越過兩座山崗後，明軍再次與重新集結的一部分蒙古人馬發生遭遇戰，並取得大勝，抓住了首領林丹汗。
明軍在戰區逗留兩日打掃戰場，之後便沿著進軍的路線回師。在十二月末，朱由校回到了紫禁城。幸虧是皇帝有草原雄鷹作為嚮導，沒有花太長時間跟蒙古兜圈子。
北京城為了皇帝的凱旋，城內設好了接待儀式。一隊隊兵士舉著矛戈順序出營，沿驛道佈防，每隔二十丈一道彩坊，中間三步一崗五步一哨，彩坊兩邊各站一名軍官，按劍挺立分段指揮，全部軍士都是一色簇新的號衣，煞是威武森嚴。
不一時，便聽城中拱辰臺鳴炮三聲，鍾鼓樓齊撞響了，各個寺院大鐘立刻相互遙遙相和。幾乎同時，城外那邊畫角齊鳴，軍樂高奏，前頭五百名校尉佩刀甩步而出把個黃土道踩得一震一顫，接著是二十匹健騾拖著十架輕型戰車隆隆而過，也真虧了那些馭手，連騾蹄子都齊刷刷踩著鼓點子，黃塵都揚起老高。
道旁的人們已經看怔了，蘇舜卿好奇地看時，儀仗已出——前頭是八十面龍旗，由八十名彪形大漢擎著過去。緊接著是五十四乘九龍曲蓋，一色米黃色，只最後兩個一翠一紫，為“翠華紫蓋相承”。
華蓋後兩長隊軍士都走得很從容，八面門旗導引，兩面金鼓旗，兩面翠華旗，四面銷金小旗，出警入蹕旗各一隨後，一百二十名軍士舉著金鉞、臥瓜、立瓜、鉞斧、大刀、紅鐙、黃鐙開過。
此刻千乘萬騎簇擁著御輦中的朱由校，論千論萬的百姓香花醴酒望塵舞拜，走到哪裡，人們都像倒伏的麥田一樣五體投地不敢仰視。京城的百姓們已經很長時間沒見到敢帶兵出征的天子了。
等到御輦進了大內，百姓們紛紛放鬆慶祝明軍的大勝。煙花齊放香霧繚繞，爆竹起火沖天炮如同開鍋稀粥價響得不分個兒。