在兩個多月的時間裏，僧格林沁尾隨撚軍之後窮追不舍，從豫西、豫中、豫東、豫南，一直追到山東，行程數千裏，所部被拖得精疲力竭，“將士死亡者數百，軍中多怨言”。僧格林沁自己也被拖得“寢食俱廢，恒解鞍小憩道左，引火酒兩巨觥，輒上馬逐賊”(《撚軍》四，第85頁)。清廷曾告誡他不能一意跟追，但剛愎自用的僧格林沁，一意孤行，仍窮追不舍。
1865年4月初。撚軍進入山東，經曹縣、定陶、城武、嘉祥、汶上、寧陽進抵曲阜。僧軍仍在後緊追。山東巡撫閻敬銘派布政使丁寶楨率本省防軍進入兗州，妄圖夾擊撚軍。為了繼續疲憊敵軍，撚軍北趨寧陽、東平，途中擊敗總兵範正坦部後，繼續北上東阿、平陰、肥城，然後轉頭南下寧陽、兗州、鄒縣、滕縣、蛘縣，經蘭山、郯城進入江蘇的贛榆、海州、沭陽。5月3日，又由邳州返回郯城，西走嶧縣，在臨城(今棗莊市西薛城)附近擊敗丁寶楨部後，北上寧陽、汶上。5月10日過運河進至範縣(今河南範縣東)南麵的羅家樓、濮州(今河南濮城)東南的箕山一帶，最後進至黃河水套地區(黃河水套是1855年黃河在考城銅瓦廂決口後在濮州、範縣以南和鄆城西北一帶形成的一個河汊眾多的地區)。隱蔽在這裏的各地起義失散人員紛紛參軍，使撚軍人數眾達數萬。然後，撚軍馳抵菏澤西北高樓寨地區，等待僧軍。而這時的僧軍已被撚軍拖得極度疲憊，僧格林沁本人也因幾十天不離馬鞍，疲勞得連馬韁都拿不住，隻得用布帶拴在肩上馭馬。
1865年5月17日，僧格林沁率軍迫至高樓寨之南的解元集地區。撚軍派出少數部隊迎戰，誘使僧軍向高樓寨地區深入。18日中午，僧軍進至高樓寨，埋伏在高樓寨以北村莊、河堰、柳林中的撚軍一齊出擊。僧格林沁分兵三路：翼長諾林丕勒、副都統托倫布等率左翼馬隊，總兵陳國瑞、何建鼇各領本部步隊為西路；副都統成保、烏爾圖那遜等領右翼馬隊，總兵郭寶昌率本部步隊為東路；副都統常星阿、溫德勒克西等各領馬隊為中路。撚軍也分三路迎戰。西路鏖戰二小時左右，撚軍稍卻。適中路撚軍已將常星阿部擊潰，便支援西路撚軍向敵人發起反擊，將西路清軍殲滅。與此同時，東路撚軍也已將敵軍擊潰。在後督隊的僧格林沁隻得率殘部退入高樓寨南麵的一個荒圩，撚軍乘勝追擊，將該圩團團包圍，並在圩外挖掘長壕，防止敵人突圍。當夜三更，僧格林沁率少數隨從冒死突圍，當逃至菏澤西北7．5公裏的吳家店時，被一撚軍戰士砍死在麥田。這一仗，撚軍全殲僧格林沁以下7000餘人，取得重大勝利。
高樓寨之戰，撚軍全殲僧格林沁的蒙古馬隊，使清軍的精銳騎兵損失殆盡。據都統成保奏稱：“我軍失利後，馬步兵勇收集無多。”(《平撚方略》卷二百三十一，第6頁)這次作戰，是撚軍在抗清鬥爭中取得的一次重大的勝利，也是運用運動戰取勝的一個典型戰例。撚軍發揮快速流動作戰的特長，牽著僧軍盤旋打轉，使其精疲力竭，同時伺機反擊，消耗敵之兵力，挫傷敵之士氣，最後在地形和群眾條件都對撚軍有利的地區，一舉全殲窮追之敵。僧軍方麵，由於僧格林沁盲目輕敵，一味窮追，後方供給不繼，部隊饑疲交加，士氣日益低落，加上得不到豫魯清軍的有效配合，成為衰弱的孤軍，最後被撚軍殲滅。