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明军的前锋阎应元带着三千精锐骑兵来到了胪朐河以南，遇上了林丹汗的军队，察哈尔部的骑兵是与明军稍稍一接触就败走。阎应元的手下建议要乘胜追击，功劳就都是前锋拿下的。
阎应元打仗是很沉稳的，他下令道：“孤军深入，敌人不断示弱诱我上钩，再前进必然陷入不利的境地，可是现在退兵已经迟了，恐怕会让敌人有隙可乘。上策是停在原地结营自固，白昼则扬旗击鼓，出奇兵与之挑战，夜晚则燃炬鸣炮，虚张声势，使敌人难测我军之虚实。等到陛下的主力到来，再全力进攻，必可取胜。即便不能取胜，亦可以全师而还。”
等到朱由校、沈有容带着大军与作为前锋的阎应元会和之后，明军才继续前进。
步步深入的明军尽量隐蔽行踪，每天只在黎明及日暮之前才生火做饭。朱由校派出军队的斥候，自己再用驯化的雄鹰高空侦查。这雄鹰随军时可以自己捕食草原上的动物，不用消耗明军的食物。
终于在斡难河附近，明军找到了集结的察哈尔部主力。朱由校用神藏闸让草原雄鹰在天上侦查了一下，大概估算有四万多敌军，此时远征到此地的明军只有三万人。
察哈尔部已经很久都没有在草原深处与明军作战了，林丹汗下令让轻装骑兵进攻。他们打算按照传统的打法利用自身机动能力强的特点时进时退，刻意与进犯的明军保持一段安全的距离，这段距离将在长枪与砍马刀的攻击范围之外，但是一定要在弓箭的射程之内，这样一来，蒙古轻装骑兵才可以在避免受到打击的情况下不断用手中的弓箭逐一而有效地射杀对手。
但明军的一万燧法式火铳可不是吃素的，见敌军冲上来，火器营展开三段式射击，噼里啪啦地开火，在弓箭的射程之外就击杀了数百敌军，密密麻麻的枪声让马匹受惊奔逃。明军的马匹都是在枪炮声中长大的，没有发生这样混乱的问题。
有的轻装骑兵冲到弓箭射程范围内，朝着火器营射箭。然而火器营是依靠轻型战车的挡板作为防护，飞来的箭矢都扎在挡板上，少有射到人身上的。
沈有容见敌军有要败退的趋势，他下令让明军的三千重甲铁骑上去冲阵。
带领重甲铁骑冲锋的是考过进士的卢象升，他身材高大双臂修长，一柄长刀抡转如飞。这股钢铁洪流直接撕破了察哈尔部的阵营。林丹汗见状不好，带着兵马撤退。
明军主力踏着敌人纵横交错的尸体一口气追击了百余里。将士们累得饥渴难耐。沈有容见状，决定收兵回营。
夜幕降临了，草原大地一片沉寂。明军的营垒绵延数里，星星灯火在黑夜中闪闪烁烁……偶尔传来一两声号角声和军营中的击柝声。在这不安的黑夜里，显得格外恐怖。
在接下来的两天里，林丹汗采取防御的策略，希望能够保持一个不胜不败的平局。但对朱由校而言，平局就意味着失败，假如战况继续僵持下去，后勤的压力会增大许多。况且，明军很难在对峙的状态下安全撤离战场返回塞内，阵前撤退很难保持秩序，极有可能导致军心动摇而最终演变成一场人人争先恐后逃窜的大溃败。因此，明军只有战胜敌人，才能平安撤出蒙古草原。
沈有容为了保持主动，兵分两路，抓紧时机鼓噪而进。
满桂、阎应元、卢象升带着骑兵强攻敌阵的右边。且战且退的林丹汗带着兵马拼命抵挡，企图稳住阵脚。火器营带领将士手持火器乘隙逼近敌阵，一轮接一轮地射击，打得对方伤亡惨重。
敌阵的左边由沈有容亲自带兵攻打，朱由校见战局一时陷入胶着状态，遂亲自率领重装骑兵再次冲阵，以求打破僵局。朱由校封闭了巨阙闸，提升身体力量，手拿一把大刀抡转如飞，所向披靡，杀敌无数。
其余的将士们见皇帝陛下如此神勇，纷纷狂吼着催马杀了过去。
冬日昏黄，铁骑纵横；战马嘶鸣，刀剑闪光。空中怒卷着阵阵黄沙，草地上流着殷殷鲜血。震天动地的喊杀声，和着战鼓号角，让林丹汗心惊胆战。
察哈尔部将士竭尽全力也抵挡不住明军的全线攻击，终于崩溃，四散逃亡。
明军通过简单的整理，统计了一下斩首人数是四千五百多，察哈尔部实际的伤亡是超过一万。明军的伤亡是七千左右。
战事仍未结束，因为朱由校不肯就此罢手，还要继续指挥部署追击，在连续越过两座山岗后，明军再次与重新集结的一部分蒙古人马发生遭遇战，并取得大胜，抓住了首领林丹汗。
明军在战区逗留两日打扫战场，之后便沿着进军的路线回师。在十二月末，朱由校回到了紫禁城。幸亏是皇帝有草原雄鹰作为向导，没有花太长时间跟蒙古兜圈子。
北京城为了皇帝的凯旋，城内设好了接待仪式。一队队兵士举着矛戈顺序出营，沿驿道布防，每隔二十丈一道彩坊，中间三步一岗五步一哨，彩坊两边各站一名军官，按剑挺立分段指挥，全部军士都是一色簇新的号衣，煞是威武森严。
不一时，便听城中拱辰台鸣炮三声，钟鼓楼齐撞响了，各个寺院大钟立刻相互遥遥相和。几乎同时，城外那边画角齐鸣，军乐高奏，前头五百名校尉佩刀甩步而出把个黄土道踩得一震一颤，接着是二十匹健骡拖着十架轻型战车隆隆而过，也真亏了那些驭手，连骡蹄子都齐刷刷踩着鼓点子，黄尘都扬起老高。
道旁的人们已经看怔了，苏舜卿好奇地看时，仪仗已出——前头是八十面龙旗，由八十名彪形大汉擎着过去。紧接着是五十四乘九龙曲盖，一色米黄色，只最后两个一翠一紫，为“翠华紫盖相承”。
华盖后两长队军士都走得很从容，八面门旗导引，两面金鼓旗，两面翠华旗，四面销金小旗，出警入跸旗各一随后，一百二十名军士举着金钺、卧瓜、立瓜、钺斧、大刀、红镫、黄镫开过。
此刻千乘万骑簇拥着御辇中的朱由校，论千论万的百姓香花醴酒望尘舞拜，走到哪里，人们都像倒伏的麦田一样五体投地不敢仰视。京城的百姓们已经很长时间没见到敢带兵出征的天子了。
等到御辇进了大内，百姓们纷纷放松庆祝明军的大胜。烟花齐放香雾缭绕，爆竹起火冲天炮如同开锅稀粥价响得不分个儿。