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唐太宗派鸿胪卿唐俭、将军安修仁等去突厥抚慰，令李靖率兵接应。二月，李靖引兵至白道与徐世勣会合，相与定谋，认为颉利虽败，兵力尚多，若任其逃往漠北，依附于薛延陀等部，则很难追歼；今唐俭在突厥，颉利懈而不备，如选精骑袭之，可不战而擒之。
偏将张公瑾怕这么做会使唐俭等人身陷险地，李靖说只要能剿灭突厥，唐俭等人根本不用去考虑。
于是李靖令徐世勣统大军继后，亲率精骑万名，各备二十天口粮，连夜出发，向铁山疾驰。李靖军冒雪至阴山，遇突厥营帐千余，尽俘之以随军。颉利见唐使前来抚慰，以为安然无事，未加戒备。
初八，李靖派都尉苏定方率两百骑兵为前锋，在浓雾掩护下衔枚疾进，至颉利牙帐七里才被发现。苏定方长驱直入冲进了突厥颉利可汗的牙帐，颉利及其部下不知浓雾里有多少唐军，阵脚大乱。劼利可汗乘千里马西逃。李靖率大军跟进，突厥军溃散，被歼万余人，被俘男女十余万。唐俭、安修仁趁乱脱险而归。
颉利可汗在阴山被击败后，仓皇由云中向西逃窜，意图投奔吐谷浑国王慕容伏允或高昌国王麴文泰。在半路上，部将大多叛逃。其子叠罗施也与他走散。不久，身边只剩下数十骑兵的颉利可汗迎头撞上了李道宗的大同军。一番激战后，唐将张宝相将颉利可汗擒获。李世民没有杀死颉利可汗，而是封他为归义王、右卫大将军，让他在长安度过余生。突利可汗随后归降，被封为北平郡王。突厥的名将或首领包括执失思力、阿史那社尔、阿史那思摩以及契苾何力等悉数归降，都受到唐朝的重用。真珠可汗夷男也上表表示归顺。
唐朝将东突厥领地划入自己的版图，在其上设置了顺州、裕州、化州、长州、定襄、云中等都督府。唐朝的疆域由此扩大至阴山以北六百里，势力范围达到北海。
东突厥灭亡后，其残部以及大多数铁勒的部众投到了薛延陀部真珠可汗夷男的帐下，夷男实力大增，在鄂尔浑河郁督军山附近建立了牙帐。
另一个部族回纥也在土拉河畔建立了牙帐，然而也向夷男称臣。为了避免其叛乱，唐太宗开始扶持回纥以抑制薛延陀，而后又封东突厥的贵族阿史那思摩为可汗，建牙帐于河套平原，以示之为东突厥正统，在南面牵制夷男。贞观十五年唐太宗前往泰山封禅，刚走到洛阳时，夷男趁机伙同回纥、同罗、靺鞨等部，从白道川出击，袭击了阿史那思摩，并挥师南下逼近介休。
接到阿史那思摩的急报，唐太宗命令营州都督皖城郡公张俭率领所部骑兵以及契丹和奚的联军从东边压制夷男，又以英国公李勣为朔州道行军总管，于朔州以北将其击败，夷男退向诺真水。