正当清廷全力准备平三藩时，蒙古的察哈尔王布尔尼乘机兴兵作乱，军情紧急。

康熙帝因京师禁旅皆南征，守备空虚；又急欲派大臣去平叛，十分担忧，就向孝庄太皇太后问询。

孝庄说：“图海才略出众，可以胜任这个位置。”康熙帝遂命图海为副将军，随抚远大将军多罗信郡王鄂扎率军征讨。

此时，京师已无兵力可用，图海便奏请选拔八旗家奴中的健勇者，得数万人，当天便集于德胜门外。

次日黎明，图海整装至教场，检阅完毕，立即出发，一路急行军，不许夜宿，所过宣府等地州县村堡，任听众家奴抢掠，使其获金帛无数，不数日便到达察哈尔境内。

四月二十二日，清军到达达禄。布尔尼早已设伏兵于山谷，列阵以待，并派三千人径直来战。

鄂扎命图海、吴丹率轻骑迎战，令洪世禄率左翼搜山。当土默特兵行进过山涧时，忽然有伏兵冲出，阵乱。

图海等分兵奋击，大败之。布尔尼又以四百骑继进，图海率兵力战，阵前号令曰：“之前此所掠夺的财物都是士庶家里的，不足以被称为宝物。如今察哈尔承元朝之后，数百年的基业，珠宝货宝夺的无法计算，你们如果能获取它们，可以保证终身富贵啊。

众家奴听后，踊跃向前，战斗中无不以一当百，奋力杀敌，很快就将敌军打败。

布尔尼又悉兵而出，列火器相拒，图海也严阵以待，接连重击叛军，大败之，其下都统晋津率其族阵前投降，布尔尼兄弟仅以三十骑仓皇逃遁，至扎鲁特境内贵苏特时，被前来会剿的蒙古科尔沁额驸沙津斩杀。

至此，察哈尔被平定，清朝的后方得以安定。

图海又奏请豁免所过宣府等地的粮税，以恤边氓。

闰五月，清军班师凯旋，康熙帝率文武大臣至南苑大红门亲迎，行郊劳礼，特命副将军图海至御幄侍坐，问以战阵之事。回宫陛见时，康熙责问图海纵兵掳掠事，并将弹劾的奏章给他看，图海谢罪说：“以家奴的贫贱，抵御强大的敌人，如果不用财帛引诱壮大他们的胆量，如何让他们以死效力？”康熙听到后非常开心，说：“朕也知道你一定有今日的作为。”

论功行赏，图海晋为一等男爵。这次平定察哈尔，图海立了大功，他以临时集结的、未经训练的乌合之众，战胜了强悍的蒙古骑兵，用的是纵兵掳掠以激励士兵的非常手段，这当然违反了“兵贵纪律”的原则，但在当时紧急的情况下，也是不得已而为之。

图海初次带兵就以出奇制胜显示了他的军事才能。