奴屯屠何单于见北匈奴已经非常虚弱，便决定再给北单于以重重一击。他派左谷蠡王师子率左右两部从鸡鹿地区（今内蒙古杭锦后旗境）出塞。中郎将耿谭派人监护南匈奴军。南匈奴军先进至涿邪山，后将随军辎重留下，分左、右两路奇袭北单于庭。左部人马从北部越过西海（今蒙古杜尔格湖和哈腊湖以北），进至河云（今蒙古乌布苏诺尔省沃勒吉附近）地区；右部人马从匈奴河水（今蒙古拜达里河）以西，绕过天山（今蒙古杭爱山东脉），南渡甘微河（今蒙古札布汗河）。两路人马会合后乘夜包围了北单于本部。
北单于对南匈奴军的突然袭击未有提防，军中大乱。北单于忙率数千精兵与南匈奴军进行交战，但很快就被击败，北单于也负伤落马。见此情形，北单于顾不了许多，忙在数十名贴身卫士的保卫下落荒而逃。此役南匈奴军共杀死敌军8000多人，俘虏数千人。此时，南匈奴已有人口23万多人，军队兵力达50000多人。
北单于兵败逃往西域的金微山（今阿尔泰山），窦宪决定乘北单于新败之际，对其进行致命打击，以彻底消灭北匈奴。公元前91年2月，窦宪派左校尉耿夔、司马任尚，率军从居延出塞，突袭金微山，将北单于及其所部包围。经过激战，大败北匈奴军，斩敌5000多人，俘虏北单于母亲。北单于率残兵败将向乌孙方向逃去，从此消失于人们的视野，北匈奴就此灭亡，匈奴又归于统一。
公元93年，南匈奴单于屯屠何当政6年死去，由前单于宣之弟安国继单于位。安国虽然继任单于，但他的名望却远不及左谷蠡王师子。因师子多次奉命率军征讨北匈奴，引起新近降服的北匈奴人对他的憎恨，安国单于便联络这些降服的北匈奴人谋害师子。师子对此事有所察觉，于是安国单于主持的几次会议，他都称病不予参加。安国单于对他更加愤恨。
公元94年春，安国单于因与汉使匈奴中郎将杜崇不和，双方互相上书朝廷告发对方。和帝命行度辽将军朱徽与杜崇共同率兵进抵单于庭，想给安国单于一个下马威。
安国单于听说汉军到，慌忙逃走，调遣原北匈奴的降兵和他所率军队一起去攻打左谷蠡王师子。师子得知消息率其手下部队转移到曼柏城（今内蒙古达拉特旗东南），紧闭城门。安国单于率部追至城下，发起进攻，但未攻克，于是便将军营安扎在五原（今内蒙古包头市西）。朱徽、杜崇率军追击安国单于军，引起其内部慌乱。安国单于的舅舅骨都侯喜为等害怕汉军将他们一起诛杀，合谋将安国单于杀害，立师子为单于，称亭独尸逐侯革是单于。原北匈奴的降兵不服师子继任单于，发兵攻打师子失败后，立前单于屯屠何之子逢侯为单于，这些匈奴人共有15个部落，共约20多万人。逢侯率部众20多万人，杀死汉朝官吏，焚烧了邮亭及帐篷，引军远走漠北。这样，匈奴再次分成了南、北两部，汉与第三北匈奴的一场恶仗不可避免。
公元94年9月，汉王朝命先禄勋邓鸿行车骑将军，统率汉军及乌桓、鲜卑军共计40000多兵力出发征剿逢侯部众。此时，逢侯正率10000多骑兵进攻南匈奴单于师子和中郎将杜崇驻守的师城（今内蒙古准格尔旗西北）。至11月，邓鸿所率大军到达师子城西北40千米处的关稷。逢侯见汉援军到，便率军队退往满夷谷（今内蒙古包头市北约50千米）。邓鸿军至师子城，与城内南匈奴及汉军会合，共同出兵追击逢侯军。双方在大城塞（今内蒙古杭锦旗东南）展开激战，逢侯军战败，死亡4000多人。逢侯率军向北退却，半路被任尚所率的8000乌桓及鲜卑骑兵截击，逢侯军又被打败，被杀13000多人。逢侯率领残兵败将逃往北方。
逢侯率部众逃至北方后，将部众分为左、右两部，左部驻扎于朔方郡的西北，其自率右部驻扎于涿邪山下，两部相距数百里。公元96年冬，左部众将发生内讧，有15000多人向南投降汉朝。
公元117年，第三个北单于逢侯部受到了来自东方的鲜卑人的攻击，结果鲜卑人大胜，逢侯仅率百余骑兵逃向南方，投奔汉朝。度辽将军邓遵将他安置在颍川郡。至此第三北匈奴灭亡。匈奴故地漠北全部被鲜卑人占据，留居漠北的十余万匈奴人皆向鲜卑人投降，称自己为鲜卑人。从此，一个更为强大的民族在中国的北方形成，汉民族将要受到比以往更大的打击。南匈奴单于师子在位4年后死去，原单于长子檀成为新单于。公元109年，檀反叛汉王朝。汉安帝以大司农何熙行车骑将军率军将叛军打败。檀单于投降汉朝，双方重修旧好。南单于檀在位27年后死去，其弟拔于公元124年继单于位。