鳌拜集团被铲除不久，便爆发了“三藩之乱”。刚刚安定下来的清王朝又陷入了风雨飘摇之中。所谓“三藩”是明末清初王朝鼎革之时，投降清朝的汉族军阀官僚所组成的地方割据势力。他们在稳定清初的国势、镇压农民革命、击溃南明小朝廷的一系列战争中，发挥了重要的作用。论功行赏，有三家汉人被封为藩王，割据一方，即驻守云南的平西王吴三桂，驻守福建的靖南王耿仲明（耿仲明父子去世后，由耿仲明的孙子耿精忠袭藩王爵位），驻守广东的平南王尚可喜。
三藩“皆握重兵，渐制一方，累形跋扈”，俨然成为三个国中之国。此外，三藩在其藩镇所得，都据为己有，还从朝廷索取大量饷额和经费，用于养兵和行政开支，致使“天下财富半耗于三藩”。镇压了鳌拜集团后，康熙帝鉴于历代藩镇得失的经验和三藩之害，开始着手准备撤藩。
康熙十二年（1673）年三月，平南王尚可喜向朝廷上书，祈求“归老辽东”，让其子尚之信承袭王位。康熙帝顺水推舟，下旨批准尚可喜告老还乡，但是不准尚之信接替平南王爵位。吴三桂、耿精忠得到消息后，心不自安。他们想试探一下康熙帝的态度，就故作姿态，也主动提出撤除藩王爵位的请求。
二王的奏章送到朝廷，康熙帝就召集众朝臣商议对策。大臣们都看出了吴三桂等人的真实用心，不过在对策上分为两派。大多数人都认为如果皇帝批准这一请求，他们一定会起兵造反，所以请求康熙帝好言宽慰这些人，不要撤藩。只有一小部分大臣认为吴三桂早有反心，不如快刀斩乱麻，强硬到底。
康熙帝思忖再三，决定先召三藩进京。如果他们来，那就证明没有反意，可以逐步削夺他们的兵权，从容行事。但吴三桂确实早有反意，果然称病不来京城。康熙帝见此情形，马上下旨裁撤三藩。撤藩令引起了三藩极大的震动。他们当然不甘心束手就擒，要做最后的垂死挣扎。吴三桂表面上愿意执行撤藩令，实际上却屡屡拖延行期，积极策划叛乱。康熙十二年十一月，吴三桂发动叛乱，他平日里安插在各地的党羽也群起响应，气焰十分嚣张。数月之间，叛乱势力“掠地陷城，连山接海”，六省尽失。随后，其他二藩相继叛乱。
各地告急的消息纷纷传至北京，呈现在康熙帝的龙案上，清廷上下大惊失色。年仅20岁的康熙帝，临危不惧，迅速地稳定了人心。他认真分析了敌我的力量对比，提出：“贼势猖獗，非绿旗兵所能制”，应以“八旗劲旅会剿”。
射人先射马，擒贼先擒王。康熙决定出兵重点打击吴三桂。在行军中，康熙帝严令禁止骚扰百姓，反复强调“毋得行事扰民”，清军所到之处均竭力安抚民心。此外，还对吴三桂的党羽实行分化、瓦解政策。当时，康熙帝虽人在北京，却每日接到“军报三四百疏”，皆“手批口谕”，如在前线亲自指挥战事。康熙帝的军事布署、发布的军令和采取的策略措施，有效地扭转了战争初期被动的战局。
为了保证取得最终的胜利，在平叛战争中，康熙帝严厉惩办了一批贻误战机、作战不力、虚报战功的亲贵大臣，并废除“论功免死之例”，拒绝了达赖喇嘛提出的“裂土罢兵”的分裂主张等等。同时，他还提拔了一批英勇善战的下级军官。他们“群策群力，敌忾同仇”，成为了这场平叛战争中不可缺少的中坚力量。
在清军的沉重打击下，广东的尚之信，福建的耿精忠二藩相继投降，砍去了吴三桂的两翼。到康熙十七年（1678），吴三桂控制的地区不断缩小，仅占有云南、贵州两省和湖南、广西、四川的部分地区。随着围剿的南怀仁铸神威大炮康熙十三年（1674）八月，康熙帝命掌管历法的南怀仁（比利时传教士）造火炮应军需之急。不久，南怀仁奉命制造出了一种轻巧的火炮。次年五月，火炮铸成，康熙帝往卢沟桥炮场检验。这种炮炮身小，火力强，命中率极高，可放置在骡马背上行军，非常轻便，容易运输。康熙帝对此大加称赞。从此，这种火炮大量生产，一年内铸造约350门。清军将士称此炮为“得胜炮”。康熙二十年（1681），康熙帝将其定名为“神威将军炮”，并用它武装部队。此后，南怀仁又制造了其他型号的火炮，并对旧炮加以修理和改进。康熙帝为表彰南怀仁的功劳，加封他为工部右侍郎。
持续，孤立无援的吴三桂逐渐陷入“财用耗竭”的困境中。康熙十七年（1678）三月，走到穷途末路的吴三桂在衡州（今湖南衡阳市）仓促称帝，建国号为周，改元昭武。吴三桂的称帝，不仅未能挽救其灭亡的命运，反而暴露了其分裂国家的真实目的，加速了他的灭亡。可怜的吴三桂在失利和惊恐的包围中勉强坐了五个月的“龙椅”后，就在同年八月病故了。
康熙十九年（1680），清军在康熙帝的统一部署下，三路大军从贵州、广西、四川出发向云南合围。康熙二十年（1681），三路大军攻进昆明城，吴三桂的孙子吴世璠自杀，吴氏残余势力被最终歼灭。至此，历时八年的三藩之乱终于被平定了。年轻的康熙帝，以超凡的决策能力平定了这场蔓延十省的叛乱。战后，康熙帝立即采取一系列措施，荡涤三藩遗留下来的污泥浊水。对三藩在各地推行的苛捐杂税“悉革除之”；清查吴三桂及其手下官兵侵占的民田，并返还给百姓耕种，进一步稳定了局势。
