三千飞骑擎李靖帅旗趁夜突至定襄城下时，颉利可汗大惊失色，以为恶阳岭失守，李靖“大军”已兵临城下，慌乱之间，未多作抵御便拱手让出了定襄，将牙帐撤至碛口。
李靖又趁势派细作离间颉利可汗的部众，致使颉利可汗的心腹大将康苏密挟隋炀帝皇后肖氏及其孙杨政道至定襄降唐。颉利可汗见康苏密降唐，不敢再作停留，率部退向阴山北麓，在浑河边遭柴绍的金河军截击，之后又在白道大败于李绩的通汉军。
颉利可汗退屯铁山时，十数万铁骑只余了数万，自知已无力再和唐军作战，即派遣执失思力为使，入朝谢罪请降，表示愿举国内附。
皇上欣然应允，派鸿胪卿唐俭、将军安修仁去突厥抚慰，又令李靖率兵接应。二月初，李靖引兵至白道与李绩会合，相与定谋，认为颉利可汗素来反复无常，今日虽败，但兵力尚多，此番遣使投降，乃是缓兵之计，实际欲图积蓄力量来年东山再起，今日不彻底根除，他日又是祸患。今唐俭在突厥，颉利懈而不备，如选精骑袭之，可一战而擒
于是李靖不顾副总管张公谨的反对，命李绩继后而行，自己亲率李琰、侯承远、独孤谋、秦怀玉、苏定方、张冲等骁将十数员，统飞骑千名，各备二十日口粮，连夜向铁山疾驰。颉利可汗见唐使前来抚慰，以为安然无事，未加戒备。
初八，李靖率飞骑在浓雾的掩护下长驱直入攻下颉利可汗的牙帐，颉利可汗猝不及防，惊慌西逃。
飞骑营自交战以来，无往不捷，士气激昂，一路追着颉利可汗猛进急驱，掩杀千里，所到之处，突厥军望风溃散，斩首突厥万余人，俘男女数万余众，缴获牛羊十数万头。
颉利可汗一败再败，仓皇由云中向西逃窜，欲投奔吐谷浑可汗慕容伏允，途中遭遇任城王李道宗的大同军，一番激战后，为大同道行军副总管张宝相所擒。其余大酋长纷纷降唐，漠南之地尽归唐境。
四月，颉利可汗被解送长安，大唐举国振奋，听闻太上皇更是喜极而泣，特意将皇上、贵臣、诸王、王妃、公主等数十人召至凌烟阁，设宴庆祝。更亲自弹起了琵琶，皇上随乐起舞，一直欢庆至深夜。
至五月底，颉利可汗的残部除被誉为突厥第一智将的阿史那思摩仍率数千附离依仗地利继续辗转顽抗外，基本被肃清。
至此，曾拥控弦之士数十万，盛极一时的东^突^厥宣告灭亡，各族君长尊大唐皇帝李世民为“天可汗”，这位知人善任、勤政爱民的雄主将年轻的大唐帝国带入了全新的时代。
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