颉利可汗从定襄经阴山撤退到碛口，将牙帐设置于此。
唐太宗的特使唐俭、安修仁随同执失思力抵达碛口，与颉利可汗会晤。颉利可汗言语恭谦，好生款待，十分热情。但是唐俭的直觉告诉他颉利可汗无非是想拖延时间，此时颉利可汗的处境很是不妙，自从去年以来，在突厥的南方，先是九位将领向李靖投降，之后是突利小可汗与突厥大将阿史那郁射的投降，而颉利可汗在定襄、白道两仗失利后，实力遭到重创，还面临着唐军六路兵团的威胁。
颉利可汗的如意算盘是将大军撤到漠北，远离大唐边境，这样唐军如要发起攻击，因为中间隔着蒙古大漠，补给线就会大大拉长，难度将大大增加。在汉武帝时代，中国军队曾在卫青、霍去病两位旷世名将的指挥下，挺进到漠北，那是一场耗尽汉帝国力量的战争。
然而颉利可汗面临的困难，是时值正月，在这种严寒的天气下，要横穿蒙古大漠，显然是件艰巨的任务，只有等到来年天气变暖，冰雪消融，草青马肥时，大军才好开拔。与唐王朝的谈判，不过是为了拖延时间罢了。
白道，帝国远征军司令部。
李靖与李世勣两路兵团会师之后，开始研究下一步的作战方案。兵团总司令、定襄道行军总管李靖让诸将畅所欲言。多数将领都认为帝国政府正与突厥可汗谈判，理应等到谈判破裂之后，才能发起进攻。
此时通汉道行军总管李世勣站了起来，他身材高大魁梧，声若洪钟地说道：“颉利虽然兵败，但其人数还很多。如果他们穿越大漠，与漠北的铁勒九姓的势力相会合，到时路途遥远，又为大漠所阻，我们势必无法深入追击。现在唐朝特使唐俭正抵达碛口，与颉利可汗谈判，突厥人肯定会因此而放松了警戒，这对我们十分有利。如果我们出动轻骑兵，采取突袭的手段，必然可生擒颉利可汗。 ”
李靖向李世勣投以赞许的目光，名将之所以成为名将，就是要敢于突破常规，有独立的思考与判断，李世勣这番发言，与李靖的想法不谋而合。李靖激动地握着李世勣的手腕说道：“公之所言，乃韩信灭田横之策也。”然后李靖接着李世勣的话说道：“如今诏使到达，突厥人必定自以为安全无虞了，我准备精选一万名骑兵，携带二十日的口粮，从白道出发，奇袭突厥的牙帐，必定可以马到成功！”
副帅张公谨听了李世勣与李靖的话之后，不由得大吃一惊，急忙劝阻道：“李公，使不得啊，现在皇上已经与突厥人谈判受降的事宜，而且皇帝的特使唐俭也在突厥营帐中，此时发动袭击，似乎不合时宜啊。”
李靖回答道：“战场形势瞬息万变，机不可失。当年韩信大破齐国，便是抓住了战机。如果能够以此一战击破突厥，唐俭之流的人，又何足道哉？”李靖的想法很明确，即便突厥人以唐朝特使唐俭为人质，也不能更改他的决心，以唐俭一颗脑袋来换取战争的全胜，在李靖看来，值。
这就是李靖身上冷酷的一面。
李靖行军作战，以神速而著称。当天夜里，李靖亲率一万名骑兵为前锋，向阴山进发，此时李靖已经年近六旬，为国家不辞辛劳，其精神令人肃然起敬。
其余的军队交由李世勣指挥，尾随而来。
突厥人在阴山地区驻有侦察兵分队，兵营共有一千余帐落，人数有好几千人，这支军队的任务是严密监视阴山南侧唐军的一举一动。但自从唐朝特使抵达后，突厥人显然觉得和平在望，也丧失了必要的警觉。黑夜时分，李靖的一万骑兵已经深入阴山，包围了这支突厥的侦察骑兵队，继而发起猛攻。这支突厥部队焉是李靖精锐骑兵的对手，不一会儿工夫，除了被斩杀的之外，其余全部投降，无一人漏网。
李靖命令突厥俘虏们随军前行，作为唐军的向导，并且从中了解到了突厥军队分布以及军中的情况。看来一切如李靖所料，突厥人想当然地认为战争已经结束了。由于有突厥俘虏的带路，李靖大军一路极其隐秘，没有被突厥人发现。
李靖命苏定方率领二百骑为前锋，此时天公作美，浓雾一片，可见度非常低，为唐军的秘密行军提供了最好的掩护。
苏定方率二百人悄悄地接近突厥人的营地。直到距营地七里处，浓雾散去，突厥人方才发现唐军已经杀到门口了。苏定方是初唐名将，史载他“骁悍多力，胆气绝伦”，是一名勇将，由他指挥二百名骑兵冲锋陷阵，结果可想而知。突厥骑兵仓促应战，被苏定方的前锋部队斩杀一百余人。此时，李靖的主力部队赶到，对突厥人发起强大的攻势。
当颉利可汗反应过来时，已经太迟了，此时在啧口一带的突厥人有十几万人，其中武装人员估计占了一半，论兵力其实仍然远远超过李靖。但是李靖兵团从天而降，突厥人根本组织不起有效的抵抗，各自为战，一片混乱。更糟糕的是，身为统帅的颉利可汗，竟然又一次选择了逃跑。
颉利可汗一逃跑，突厥内部原本混乱的局面更加不可收拾，突厥人数虽多，不过成为唐军的活靶子，啧口简直成为一片屠宰场。突厥骑兵被杀死的人数超过一万人，剩下来的十余万人，集体向李靖投降，数十万头牲畜，也全部落入唐军之手。李靖这次大胆的冒险式的袭击，又一次取得辉煌的成功。
唐朝特使唐俭很幸运，由于当时局面太混乱，突厥人竟然忘了将他扣押为人质，他趁着混乱逃了出来，捡了一条命。
而突厥的第一夫人，前隋义成公主，却没有那么幸运，颉利可汗只顾自己逃命，把夫人也忘了，结果义成公主成为唐军的刀下之鬼，结束她颇为不平凡的一生，义成公主的儿子阿史那叠罗施被唐军俘虏。
这一战，是颠覆北突厥的关键一役。
战斗尚未结束。
就在李靖发动碛口之役的同时，李世勣兵团火速北进，以截断颉利可汗北逃的道路。颉利可汗率一万多残余兵马，打算冒着严寒强行通过大漠，撤退到漠北。但是他的每一步似乎都在唐军的预料之中，李世勣的数万兵马已经严阵以待，给颉利可汗迎头痛击。
损兵折将后的颉利可汗北退已经不可能了，怎么办呢？他想到了叔叔苏尼失。苏尼失是启民可汗的弟弟，也是颉利可汗的叔叔，他是突厥国内的实权人物，掌握的部众有五万帐落，牙帐设置在灵州的西北部。在颉利可汗众叛亲离之际，苏尼失仍然对颉利可汗忠心耿耿，因而在突利小可汗投降唐王朝之后，颉利封苏尼失为小可汗。现在，走投无路的颉利只有一条路可走，便是前去投奔苏尼失。
颉利率残部向西逃窜，李世勣趁机扫荡突厥的其余部落，漠南的突厥部落共计五万余人向李世勣投降。至此，北起阴山，南抵大漠的广阔土地，尽在唐王朝的控制之中。
这次出击，斩杀突厥骑兵数万人，收降部众十五万。其战果之显赫，令唐太宗李世民兴奋不已。在经过三年多的卧薪尝胆之后，唐帝国终于一举击败了北突厥，唐高祖称臣之辱，唐太宗渭水之耻，终于被此役之光荣胜利一扫而空。
唐帝国无可争议地取代了突厥，成为号令四方的霸主。
这个伟大帝国所焕发出的生命力如此之强大，它犹如一块磁石，有着强大的吸力，这吸力不仅来自军事的强盛，亦来自文明的力量。
原先归附突厥的小部落，纷纷归附大唐帝国。诸部落领袖联合上书，请求尊唐太宗李世民为“天可汗”。游牧国家的首领为可汗，“天可汗”便是统领这些可汗的领袖，李世民道：“我是大唐帝国的皇帝，还要兼做可汗的事啊。”这言下之意，便是同意了诸部落的请求，这些部落的首领与朝中大臣纷纷高喊“万岁”。
“天可汗”不仅是一种权力的象征，也是大唐帝国恢弘大气之表现。宋代的范祖禹在此事上批评唐太宗道：“以万乘之主，而兼为夷狄之君，不耻其名，而受其佞，事不师古，不足为后世法也。”可见，孱弱时代的人是无法理解盛唐的胸怀与气度的。
遭到大败后的颉利可汗逃到叔父苏尼失处，他的部下叛的叛，降的降，除了寄希望于苏尼失之外，颉利可汗还对另一位将领阿史那思结抱有侥幸心理，阿史那思结手下有四万人。但是这个侥幸很快破灭了。三月五日，阿史那思结率部向唐政府投降。
看来在突厥已经没有容身之地了，还是继续逃吧，颉利可汗心里盘算着，不如流亡到吐谷浑汗国算了。但是人还未开溜，大同道行军总管李道宗的军队已经开始向苏尼失的地盘进逼了。李道宗写信给苏尼失，劝他投降并且交出颉利可汗。
颉利可汗听到这个消息后，两腿发抖，带了几名亲信，连夜不辞而别，一路向西逃窜，躲到荒山野谷之中。苏尼失虽然是一个忠于可汗的人，但是突厥大势已去，抵抗只会被粉碎，不如投降了。颉利可汗跑了，他可承担不了这个后果，于是派大军进入山区搜索，费了好大的劲，总算把颉利可汗找到了，带回营内。
怎么处理颉利可汗？苏尼失正在犹豫不决时，卫兵突然来报：“唐军大同道副总管张宝相率军抵达兵营。”苏尼失大吃一惊，此时张宝相已经带人闯进兵营内，将颉利可汗逮捕。苏尼失长叹了一口气，也向唐政府请降。
北伐突厥之役，至此以唐军的全胜而告终。
这是贞观时代一次最伟大的胜利，也是中国历史上反击侵略的最伟大胜利之一。这次胜利来得似乎非常顺利，但背后却远非想象那样简单。仅在三年多以前，突厥人还是那么盛气凌人，兵临长安城下，迫使唐太宗签下城下之盟，可以说，当时唐朝面临突厥的威胁，比汉武帝时代面临匈奴的威胁要严重得多，但是终汉武帝一生，也仅仅是重创匈奴，并没有能力扫平匈奴，何以唐太宗李世民在这么短的时间内可以反败为胜，一战而平突厥呢？
按道理说，突厥虽然衰败了，但是瘦死的骆驼比马大，还没有衰败到一战而亡的地步，但结局竟然如此，这是有偶然性的，也就是说，颉利可汗负有很大的责任。
颉利可汗没有意识到突厥与大唐的国力已经发生了根本性的转变，仍然将重兵置于大唐边境线附近，这给唐军发动奇袭，全歼突厥力量提供了机会。
我们反观汉代与匈奴最大规模的漠北决战，在决战之前，匈奴人已经很聪明地将主力转移到了漠北，迫使汉军必须远程奔袭数千里与之决战，虽然在决战中匈奴人败北，但是过长的补给线使得汉军无法完成歼灭性的打击。可是颉利可汗却是在吃败仗的情况下，才想起应该撤回漠北，却为时已晚。
那么，为什么颉利可汗如此自信，敢将兵力都集中于漠南呢？其中原因颇多：
一是多年来对唐作战的优势，胜多负少，使他不免有自负的心态；二是漠北受到新建立的薛延陀汗国与回纥的威胁，而突厥在与两者的战争中均败北；三是突厥还拥有庞大的骑兵。在突厥最盛时，拥有一百万的军队，后来诸部落的反叛，突利等人的降唐，战争中的伤亡等因素，使得突厥兵力大大下降，但是从总量上看，仍然不在唐军之下。光是碛口之役，突厥人被俘与被杀的人数超过十六万人；苏尼失控制五万帐落的人口，算起来最少也有十几万人，阿史那思结的部众有四万人；在战后，陆续向大唐帝国投降的有十万人。综合分析，在漠南的突厥人口数不低于五十万人，作战兵力至少有十七万人（以三分之一人口计）。这个数量，并不少于唐远征军的兵力。所以颉利可汗将重兵陈于漠南，是因为他在兵力上不居劣势。
除以上所列举之外，可见于史料的，突厥国内还有两支不弱的势力，一支是驻扎在西部的阿史那社尔的军队，但是阿史那社尔受到颉利可汗的排挤；另一支是阿史那斛勃，其势力是在漠北。关于这两大突厥势力的动向，后文再做说明。
在兵力不占优势的情况下，唐军能取得如此辉煌的战果，很大程度上与李靖与李世勣的军事天才是分不开的，尤其是李靖。
李靖两次以少击众，奔袭定襄与碛口，采用擒贼先擒王的战略，从根本上破坏敌军的指挥中枢。这两次突袭战堪称李靖军事生涯的代表作，貌似战法简单，其实大智若愚，大巧若拙，这是他长期对敌军统帅的性格与指挥风格进行深入研究之后，方才制定出的作战方案。
请看李靖在兵书上的一段话：“兵之情虽主速，乘人之不及，然敌将多谋，戎卒欲辑，令行禁止，兵利甲坚，气锐而严，力全而劲，岂可速而犯耶？”（《卫公兵法辑本》），这段话对理解李靖在北伐突厥之役中的战术很有参考价值，李靖虽然推崇奇袭速决战，但是遇到引文中所列举的敌情时，是无法完成奇袭的。可见李靖指挥的两次奇袭战，乃是对敌军从统帅到士兵的全面了解之后，所做出的大胆的决策，绝非单纯的军事冒险与侥幸。
同时值得称赞的还有李世勣，他深刻地理解李靖的作战思想，并且在李靖两次奇袭之后，负责断突厥后路，在把握战斗的方向与时机上，拿捏得十分到位。另外值得一提的是唐太宗李世民，以积极外交之手腕，立薛延陀汗，支持突利小可汗，分化瓦解突厥内部的势力，这是平突厥的大前提，战略眼光极为深邃。
此役开启了贞观年代的扩张之门。
作为贞观第一名将的李靖虽然载誉而归，然而令他没有想到的是，伴随荣誉而来的，却是流言与陷害。御史大夫萧瑀弹劾定襄道行军总管李靖，称他在击破突厥可汗的牙帐时，纵容士兵大肆抢掠，突厥的珍宝悉数被掠一空，请交由法司立案审理此事。
唐太宗李世民发布特别敕令，不准许弹劾。但是当李靖班师回京之后，李世民召见李靖，对他严厉斥责，李靖没有自辩，只是叩首谢罪。唐太宗同时表态，朝廷“录公之功，赦公之罪”。
究竟李靖有没有纵容部将抢掠突厥牙帐珍宝呢？这件事很难说。过了一段时间后，唐太宗又对李靖说：“前有人谗公，今朕意已寤，公勿以为怀。”公开为李靖平反，但是史料也没有披露谁是陷害李靖的人，所以这件事的真实情况，也只能成为一个谜了。
唐帝国一举击灭北突厥汗国，如何来安置突厥的降众呢？
北突厥的残部，一部分归降北面崛起的薛延陀汗国，一部分归降西面的西突厥汗国，另有十余万人投奔大唐帝国。朝廷多数官员认为，应该将突厥降众拆散，分别安置在各州县内，改变其生活方式，教以耕田织布，将其同化。
中书令温彦博则认为，突厥人有其特有的生活习性，应该依从东汉时期的做法，将突厥人安置在边塞之内，保留其部落的习俗，“全其部落，顺其土俗，以实空虚之地，使为中国扞蔽，策之善者也”。
名臣魏征则强烈反对温彦博的观点，如果将突厥降众安置于塞内，必将为患无穷，他说：“戎狄人面兽心，弱则请服，强则叛乱，固其常性。今降者众近十万，数年之后，蕃息倍多，必为腹心之疾，不可悔也。”
温彦博反驳道：“王者之于万物。天覆地载，靡有所遗。今突厥穷来归我，奈何弃之而不受乎！孔子曰：‘有教无类。’若救其死亡，授以生业，教之礼义，数年之后，悉为吾民。选其酋长，使入宿卫，畏威怀德，何后患之有！”
看来温彦博是很相信文明的力量，将改变突厥人的蛮族习性。唐太宗李世民采纳了温彦博的意见，将突厥降众安置于东起幽州、西至灵州一带，后来又将突利小可汗原先的势力范围分割为四个州（顺州、佑州、化州、长州），将颉利可汗的地盘分割为六个州，设立定襄都督府与云中都督府。
唐王朝对归降的突厥将领可以说是仁至义尽。
首先是对颉利可汗的处置，颉利可汗自从上台之后，连连对唐帝国用兵，抢掠无数，杀人如麻，犯下滔天罪行。即便如此，唐太宗考虑到渭水之盟后，颉利可汗还算遵守盟约，没有对大唐发动大规模的侵略，所以还是决定保全其性命，将他软禁于太仆寺。颉利可汗郁郁不乐，十分憔悴，一代骁雄落到如此地步，李世民于心不忍，安排他出任虢州刺史，可以打打猎解解闷，但是颉利可汗拒绝了，后又封他为右卫大将军，赐予田宅，让他安心休养。
634年，颉利可汗郁郁而终。
突利小可汗被任命为顺州都督；苏尼失被封怀德郡王；阿史那思摩被封怀化郡王、右武侯大将军，后又出任北开州都督；突厥降将史大奈被任命为丰州都督。突厥降将官居五品以上者有一百余人，居住于长安者一万余家。
这个过分开明的政策为以后埋下了一些祸根，但是同时使得唐帝国威名万里。这一年，北突厥汗国灭亡后，在权力的真空地带，大唐帝国以惊人的速度扩张势力。原本归附于突厥的十余个东部部落转而归附大唐帝国，同时，西部曾经臣服于突厥的伊吾城主，也将所部的七座城池拱手相让，臣服唐帝国，唐太宗下令将伊吾（今新疆哈密）改为“西伊州”。
