清康熙二十九年七月二十日，正當蘇南浙北戰事方興未艾之際，由福寧指揮的清軍主力抵達克什克騰旗的土爾埂伊扎爾（註：即後來的木蘭圍場）。清軍在此地就地宿營，整個營區長達六十里，寬二十里，駐軍近十萬之眾。
同日，福全遣使尋到准格爾營地對噶爾丹言道：「汝闌入我邊汛，尚書阿喇尼等不得不迎戰。汝向與天朝修貢通好，此來追喀爾喀耳。今喀爾喀劫奪我外藩，肆行悖亂，亦與我朝相失。聖上特遣和碩裕親王及皇長子來，與汝申明禮法，自茲以往永定盟好。」
在此，清廷語氣大為改變，承認噶爾丹南下是為「追喀爾喀」，並表示喀爾喀為清廷和準噶爾的共同敵人，皇上遣重臣前來就是為了共商解決問題之辦法。
為進一步消除噶爾丹的疑慮，還特意說明清使臣帶兵前來並不是為了打仗，「汝不聞前者，我朝出兵俄羅斯，以禮和好，不戰而歸乎」。
可是噶爾丹早就看出清廷假談真打之用意，於是將計就計，欺騙對方，遣使清廷再次申明入邊之原因：「喀爾喀吾仇也，因追彼闌入邊汛。向在中華皇帝道法之中，不敢妄行。」康熙復函噶爾丹，說明清廷並沒有許諾交出土、哲二人，「豈有正事尚未議定，即可言執土謝圖汗、哲布尊丹巴以畀汝乎。此皆使臣設計脫身而為此言也……」
此時病重返京的康熙在病榻上傳令福全曰：「噶爾丹處應作何羈縻以待盛京、烏喇、科爾沁之兵王等，其遺之牛羊以老其銳氣，疑其士卒。」
福全奉命立即遣人送去羊百隻和牛二十頭，並致函希望共同約定地點進行和談，徹底解決喀爾喀問題。然而，此舉並沒有奏效，噶爾丹接受福全送來的禮品，卻不對和談一事透露半點口風，弄得清軍使臣並一眾隨營大臣不知所措。
福全無奈地向康熙奏報：「臣思大兵既出，彼必知之。臣等今往克一奔，而噶爾丹又駐弼勞口。欲回趨拜察以御之，又恐彼向西而往。噶爾丹狡詐多端，蹤跡難定。大兵迂迴猝難，調遣不若，暫駐哈卜他海海他哈地方，再定所向。」
儘管準噶爾和清廷之間使者往來頻繁，相互多次表示友好，但雙方已經箭在弦上，缺乏誠意，和談的種種努力均告失敗，雙方的大戰已經不可避免了。
七月二十九日，噶爾丹的部隊開抵烏蘭布通山之線，並在山上紮營。烏蘭布通山間林木茂密、山勢險要，東西兩側又有大面積的沼澤區，因此易守難攻，更主要的是在這種地形之下，清軍的優勢兵力也不容易得到發揚。
八月一日，被准格爾騎手故意引誘而發現噶爾丹大營的清軍離開土爾埂伊扎爾營地陸續開抵烏蘭布通山下。當日下午便使用泰西傳教士幫忙鑄造的「武成永固大將軍炮」和「神威無敵大將軍炮」轟擊噶爾丹的營地，但是清軍的炮火雖然猛烈但由於是仰射因此準頭甚差，只是在准格爾人的「駝城」內外激起了一些塵土，造成了極少數的人畜死傷。
所謂「駝城」就是把駱駝的四肢綁住令其卧倒在地，然後堆上木箱和用水沾濕的毛氈，士兵可以躲在駝峰與木箱之間向外射擊。但是准格爾人犯了一個極大的錯誤，那就是沒有意識到清軍會有數目較多的火炮，因此沒有堵塞住駱駝的耳朵，當如雷的爆炸聲次第響起的時候，受驚的駱駝發瘋般擺脫捆紮的繩索，受此一變，駝城便紛紛垮塌了。
見到准格爾人的「駝城」不堪用了，清軍便以為勝券在握，於是罔顧不利的地形紛紛向山上殺去，結果卻遭到准格爾軍用弓箭和滑膛槍的猛烈狙擊，清軍死傷枕藉，好不容易殺到了「駝城」邊，又在短兵相接中被悍勇的准格爾人給逐了出來。
丟下上千具屍體的清軍狼狽不堪的逃下烏蘭布通山，指揮作戰的裕親王福全雖然鼓動全軍再戰，然而能打的陝西綠營已然成了空殼，剩下的八旗兵和內蒙兵又全然無用，不得已福全只好休兵罷戰。鑒於清軍的兵力依舊眾多，人數只有清軍五分之一的噶爾丹也不敢主動挑起戰鬥，由此這一天的戰事就此落幕。
對此慘敗，福全卻奏報：「撫遠大將軍和碩裕親王福全等疏報，七月二十九日，臣等聞厄魯特屯於烏闌布通，即整列隊伍。八月初一日黎明前進，日中見敵，設鹿角槍炮，列兵徐進。未時，臨敵，發槍炮擊之。至山下，見厄魯特於林內隔河高岸相拒，橫卧駱駝，以為障蔽。自未時交戰，至掌燈時，左翼由山腰捲入，大敗之，斬殺甚多。右翼進擊，為河崖淖泥所阻，回至原處而立。本欲盡滅余賊，但昏夜地險，收兵徐退。其噶爾丹死於亂兵與否，俟後查明另奏外，事關大敗賊眾，謹以奏聞。」
關於這一天的戰事，當時在清廷供職的法國傳教士白晉在給法國路易十四國王的報告卻如此說道：「在反擊厄魯特汗的一次戰役（註：即烏蘭布通之戰）中，皇帝（註：指康熙帝）知道他的軍隊所以蒙受重大損失而未能將敵軍徹底擊潰，是因為厄魯特人仗著良好的排槍的強大火力，迫使皇帝的騎兵退出戰線。」
白晉還寫道：「此後，皇帝就命令他的騎兵，甚至侍衛中的精騎兵，練習在騎馬跑動時，或者勒馬站停時使用火器和弓箭。」
而白晉的說詞可以用《親征平定朔漠方略》中記載的記載加以應證：「上諭大學士伊桑阿等，我軍近與厄魯特戰，排列太密，為賊人亂槍所中，且進退不鳴笳，此皆不習戰陣之故也。自古兵法無不預加訓練。前者，八旗之兵，春秋校獵，即訓練武備之意。但校獵恐疲兵丁之馬，今既停止校獵。其令八旗兵丁，春秋二季集於曠闊之地，布陣鳴笳，教練步伐……」
甚至連康熙的舅舅佟國綱，也在這一天的撤退中被准格爾軍的滑膛槍子彈打死了，由此可見清軍當日攻擊未果後的慘狀。
而關於這一天准格爾軍的傷亡情況，福全在另一份戰報如是寫道：「八月初一日，擊敗噶爾丹，薄暮收軍。次日，即前進剿殺余寇，見噶爾丹據險堅拒，故使我將士暫息。」
情況已經很明顯了，八月一日下午激戰後，噶爾丹不僅沒有被擊敗，反而集結軍隊，憑險固守，陣地並未動搖。
對此，當時供職於清廷的法國傳教士張誠記述烏蘭布通之戰時說：「厄魯特王（註：即噶爾丹）對他們的行軍情況很熟悉，下了決心，在離北京城大約八十里格（註：一里格約五公里）的地方（即烏蘭布通）迎戰。這個王所佔的地形極為有利，他雖然缺少象帝國軍隊那種配備優良的大炮，軍隊的人數也少，但他仍不顧雙方力量懸殊，迎接對方的挑戰。開始時他的前鋒受敵方的炮擊損失甚重，這迫使他改變戰鬥部署。由於他布防在大沼澤後面，皇帝的軍隊不能包圍他。他非常勇敢地進行防禦，直到夜幕降臨，各方才都收兵回營。」
由此可見，戰爭開始時準噶爾軍遭到清軍炮擊，的確受到一些損重，但在當天作戰結束的時候，雙方的力量實質上形成了對峙，未能分出勝負甚至可以說是噶爾丹獲得了勝利。
噶爾丹在八月一日下午的激戰中雖然獲勝，但他畢竟孤軍深入，沒有後繼，不可能堅持長期作戰。而清軍雖遭重創，但兵力仍很雄厚，所增調之各路軍隊陸續挺進烏蘭布通，即將對準噶爾軍形成包圍之勢。在這種形勢下，迅速脫離戰鬥，退回漠北，才是噶爾丹的惟一出路，否則後果將不堪設想。
為了己方大部隊安全撤退，並不知道鄭軍在江南地區已經登陸的噶爾丹採取了與清軍講和的策略，並精心設計了一套談判程序。
八月二日，噶爾丹派大喇嘛伊拉古克三呼圖克圖到清軍統帥部請和，以自己軍事勝利作為籌碼，向對方發起心理攻勢，堅持索要土謝圖汗和哲布尊丹巴呼圖克圖，但遭到清軍統帥們的嚴厲拒絕。噶爾丹使者表示要繼續談判，並說「一二日內，濟隆胡圖克圖即來講理修好」。
八月四日，西藏大喇嘛濟隆呼圖克圖率弟子七十餘人到清軍統帥部求和，承認噶爾丹「深入邊內，部下無知，搶掠人畜，皆大非禮」。他一再解釋戰爭是因為「索其仇土謝圖汗及哲布尊丹巴，致有此誤」，並無與「一統宇宙之主」康熙作對之意。他降低談判條件，放棄索要土謝圖汗，只要求把「哲布尊丹巴遣送其師達賴喇嘛處」。濟隆還說噶爾丹要撤出烏蘭布通，到有水草之地等待議和。
福全等沒有答應濟隆的要求，並威脅說：「豈有因噶爾丹之言，遂遣送達賴喇嘛之理。因待汝來，稽我行事，我今即前進矣。」
濟隆迫於清軍的軍事壓力，表示只要允許噶爾丹撤出邊外，其他要求都可以放棄……
其實，噶爾丹在烏蘭布通尚未被清軍所包圍，後退之路依然敞開。但他擔心一旦離開陣地就會遭到清軍的圍追堵截。所以，噶爾丹用講和穩住清軍，以便乘機逃脫。所以就在濟隆呼圖克圖抵達清軍大營的當天夜裡，噶爾丹便率部迅速撤離烏蘭布通，「自什拉磨楞河載水橫度大磧山，連夜遁走剛阿腦兒」。這樣一來，噶爾丹主動遣使講和，爭取三天休整後，乘清軍不備，急速撤退，成功地甩開清軍，奔向邊外。只不過在歸返科布多大營的途中噶爾丹遭遇瘟疫「得還科