在李靖胜利进军的同时，李勣也率军从云中（今山西大同）出发，与突厥军在白道（今内蒙呼和浩特北）遭遇。唐军奋力冲杀，把突厥军打得溃不成军。颉利可汗一败再败，损失惨重，遂退守铁山，收集残兵败将，只剩下几万人马。
颉利可汗处于山穷水尽的境地，他派执失思力入朝请罪，请求举国归附唐朝，并表示愿意入朝。唐太宗虽然知道这是东突厥的缓兵之计，但是仍派使者去抚慰颉利可汗。李靖则率精骑一万，携带二十天的军粮，从白道袭击突厥。
李靖率军进至阴山，遇到突厥斥候千余帐，一战而全部俘获，命与唐军同行。这时，颉利可汗见到唐使臣，放松了戒备。唐军前锋苏定方率领的两百余骑又乘着大雾，悄然疾行，直到距牙帐七里远的地方才被发觉。如同惊弓之鸟的颉利可汗慌忙骑马逃走，突厥军也四散而逃。李靖大军随之赶到，杀敌一万余人，俘虏十几万，缴获牛羊数十万只（头），并杀死隋义成公主。颉利可汗率万余人想北过大漠，在碛口受李勣所阻，不能北逃，其大酋长皆率众投降。不久，颉利可汗被大同道行军总管、任城王李道宗擒获，并送到京师，东突厥从此宣告灭亡。
