窦宪命令联军乘胜追击，随后在私渠比鞮海追上了北匈奴残兵。一阵冲杀过后，汉匈联军斩敌万余，北匈奴单于率领数百亲兵仓皇逃跑。战后清点时，窦宪才知此战缴获北匈奴牛羊数十万头，并俘虏敌寇近20万人。戴罪之身的窦宪因此次大胜，变得意气风发，在班师回朝途中，特意率领汉军将士登上匈奴圣地燕然山（今蒙古国杭爱山），并命中护军班固刻石为铭，即《封燕然山铭》。后来班固在撰写《汉书》时，还特意将其写入书中，后世男儿便以“燕然勒功”来勉励自己建立不世功勋。
为彻底解决北匈奴之患，窦宪还派遣使者带上大量金帛财物，前往被撵到西海的北匈奴单于处进行招降，自知力量微薄的北匈奴单于当即表示臣服，并请使者将其弟一同带回，作为人质。然而，汉廷对北匈奴单于只遣派弟弟入朝而非亲自前来谢罪的行为，感到非常不满，认为其并非诚心归降，于是决定再次兴兵北伐，这次自然又是窦宪领兵。
永元二年（公元90年），窦宪准备充足后，统辖河西各地兵马，以邓叠为副将，从凉州出兵北击匈奴，北匈奴单于听闻汉军又来讨伐，急忙上书称自己不日就会亲自入朝觐见。然而与北匈奴向来不和的南匈奴则不肯罢休，南匈奴单于上书称，应该趁此时机彻底解决北匈奴隐患。如此拙劣的借刀杀人计策，自然瞒不过汉朝君臣，但众人认为南匈奴所奏之事有理，如能趁机完全消灭北匈奴，北境边患便不复再有。汉廷考虑再三，最终答应了南匈奴单于的请求，密令窦宪率大军立即出发，直击北匈奴。窦宪得令后，连夜率军包围匈奴大营，北匈奴单于仓皇应战，最终不幸负伤，只有十余名亲兵跟随其向西逃遁而去。
