阿史那都支本来和李遮匐商量好，到了秋天再迎战护送波斯王的队伍，后来听说唐军到了，仓促之间想不出对策，只得率领五百名下属到裴行俭的军营拜见，随即被活捉。当天，传递阿史那都支做符契用的弓箭，召集各部族酋长都来为他祈求保全生命，一同将他们押送到碎叶城。挑选精悍的骑兵，轻装简从，袭击李遮匐。半路上抓住了李遮匐的使者，释放了他，叫他回去告知李遮匐，阿史那都支已被捉拿，李遮匐走投无路被迫投降。军官们在碎叶城为裴行俭镌刻石碑来记述功劳。裴行俭把俘虏全部押送到长安，让波斯王自己回国，留王方翼于安西，负责修筑了"安西四镇"之一的碎叶城。
十一月，高宗亲自设宴慰问裴行俭，说："你率领孤立无援的军队，深入到万里以外，不用作战就捉拿了叛党，平息了叛乱，可以说是文韬武略集于一身了，可得同时授予文臣武将两种官职。"当即任命他为礼部尚书，兼检校右卫大将军。同时任命他为定襄道行军大总管，领兵十八万，会同西军检校丰州都督名将程名振的儿子程务挺、东军幽州都督李文暕，总共二十余万兵讨伐突厥，他们都由裴行俭节制调度。
裴行俭进军到朔州（今山西省朔州市），对部下说："用兵之道，安抚士卒重要的在于诚恳，对待敌人就不惜虚伪欺诈。上次萧嗣业运粮被突厥所掠夺，士卒们又冻又饿，所以战败。现在突厥人必然再用这种计谋，应当用计策欺骗他们"。于是伪装运粮车三百辆，每辆车中埋伏壮士五人，各拿着砍刀强弓，派老弱残兵数百人跟车，并且在险要地方埋伏精兵等待伏击。敌人果然来抢粮车，老弱残兵丢下车四散而走，敌人驱赶粮车到有水草之处，解下马鞍放马，准备夺取车上粮食；壮士们从车中跳出，进行袭击，敌人惊慌逃走，又被埋伏的兵阻击，几乎全被杀死俘虏。从此唐军运粮行走，敌人不敢接近。
唐军到达单于府以北，已是晚上，扎下营后，在四周挖下壕沟，裴行俭突然命令转移到高冈上。诸将都说："士卒已经安顿好，不可以再移动"。裴行俭不答应，还催促快转移。这天晚上，发生暴风雨，原来的营地水深一丈余，诸将都惊叹佩服。问他为何知道这种情况，裴行俭笑着说："今后只要听从我的命令，就不必问我怎么知道的"。第二年即永隆元年三月，裴行俭在黑山(在今内蒙五原县境内)大破突厥兵，擒住他的酋长奉职。部下杀死可汗泥熟匐，带着他的头投降唐军。
