到二月，唐使至颉利帐中接受投降。李靖也率军赶至白道与东路军汇合。对于李世民停战议和的决定李靖和徐世绩都是不赞同的，颉利目前已是丧家之犬，所剩的这点兵力根本就不是唐军的对手，应该趁此机会彻底剿灭颉利，以除后患。二人决定突袭颉利大营彻底剿灭这个祸患，于是李靖和苏定方率唐军精锐深入阴山，意图从后方突袭颉利牙帐，徐世绩率大军跟进扫除突厥残部。
初八夜，大雪，颉利迎接唐俭、安修仁，喜庆议和，深夜时分牙帐后方突然杀声大起。一支200人的唐军部队突然由后方杀出，负责护卫颉利的数千精锐铁骑立即上前围堵这支部队。双方一交手突厥人就发现这支骑兵非同一般，个个身手矫健，勇猛异常，为首一员年轻将领挥动马朔上下翻飞，数千突厥猛士竟无人能挡。
这支部队就是由侯君集亲手调教的精锐之中的精锐---飞虎军，为首年轻将领就是名将苏定方。苏定方率飞虎军势如猛虎，顷刻间撕破突厥护卫防线，直接冲杀至颉利牙帐之下。突厥大营之内顿时大乱，颉利惊慌失措，在亲兵拼死护卫下仓皇逃走。李靖的后续部队随即杀入颉利大营，突厥部队抵挡不住，或死、或降、或溃散，其余男女老幼十万余人皆被俘获。颉利身边仅剩几十个骑兵在草原上仓皇西逃，途中被李道宗的军队擒获，不久押解长安。
尽管颉利大败，但其在草原上仍有很大威望，李世民为了保持草原安定，巩固唐朝在这一区域的统治，接受了大臣的建议没有处死颉利，而是封他为右卫大将军，归义王。不过，颉利再也没有回到草原，最后在长安逝世。同时，李世民对在征伐颉利过程中帮助过唐军以及后来表示归顺的部落首领都给予了封赏，草原各部自此也纳入唐朝统治之下。
