同年二月，李世民派议和大臣鸿胪卿唐俭、将军安修仁去抚慰颉利可汗，而李靖揣摩到了李世民这样做的真实意图，便对他的副手张公谨说："我国使者现在已经到了颉利可汗那里，趁着双方议和的机会，突厥必定会放松警惕。我们就乘此良机，选拔一万精锐骑兵，只带二十天的军粮，从白道袭击突厥。"张公谨说："陛下已经下诏准许颉利可汗归降，朝廷派去的使者也在那里，恐怕不宜去讨伐进击。"李靖说："这正是用兵的良机，时机不可错过，这就是韩信之所以消灭齐国的道理。像唐俭等使者即使因此遭到不测，又有什么可惜的呢。"
于是李靖率军攻到阴山，正巧遭遇了千余帐突厥斥候，一场战斗下来便把他们全部擒获了，让他们跟着唐军一起前行。与此同时，颉利可汗看到唐朝派了使臣前来，认为自己的计谋得逞，便完全放松了警惕。
而此时，李靖命令唐军前锋大将苏定方率领两百精锐骑兵乘着大雾，悄然疾行，直到距离颉利可汗的牙帐七里远的地方才被发觉。颉利可汗看到如同天兵下凡的唐军，如同惊弓之鸟，便自己骑马先行逃走了，首领一跑，突厥军队士气全无，军无战心，也跟着四散而逃。两百唐军骑兵在突厥大军中如入无人之境。
而此时李靖的大军也已经随后赶到，此战杀敌一万余人，俘虏十几万，缴获牛羊数十万只（头），并杀死隋朝义成公主。而颉利可汗率万余人想往北逃到大漠对面去，没想到在碛口又受到了李勣的阻击，逃跑都成了奢望。眼见大军压境，突厥覆灭在即，突厥部落的各大酋长都纷纷率众投降。不久之后，颉利可汗被大同道行军总管、任城王李道宗擒获，并押解到京师长安。东突厥从此宣告灭亡。
