李世民登基后，拉开反击突厥的战争，李勣终于有了更广阔的施展舞台，得以青史留名。公元629年，也就是渭水之盟的三年后，李世民集结十多万人，由李靖统一指挥，进攻东突厥。
李勣所部由山西大同出发，深入大漠，击败当面突厥军后，与李靖会师。颉利可汗遭到连番打击，为了争取时间而向朝廷求和。李勣听说朝廷派唐俭前去议和，建议李靖乘胜追击，不能让颉利逃掉。李靖也正有此意，便下令进兵。
李靖亲率主力击溃了颉利，李勣则抄袭敌军后路，彻底截断了颉利可汗的逃生之路。颉利可汗不得不率众投降，东突厥至此瓦解，李勣光俘虏的突厥部众就有五万多人。
在这场战役中，李勣充分发挥出骑兵的长途奔袭能力，比常年生活在马背上的突厥人更能吃苦、更有攻击性。李勣经常采用夜战和小部队突袭，其行动之迅速、连续作战能力之强，超出了突厥人的想象。
