还没有到唐军发起攻击，突厥兵先乱了起来。李靖又派间谍混进突厥内部活动，说服颉利一个心腹将领投降。颉利一看形势不妙，就偷偷逃跑了。
李靖攻下定襄，得胜回朝，唐太宗十分高兴，说：“从前汉朝李陵带兵五千，结果不幸被匈奴所俘虏；现在你以三千轻骑深入敌人后方，克服定襄，威震北方，这是自古以来少有的盛事啊！”
颉利逃到阴山以北，怕唐军继续追赶，派使者到长安求和，还说要亲自朝见。唐太宗一面派唐俭到突厥，表示安抚；
另一方面又命令李靖带兵前去察看颉利动静。
李靖领兵到白道（在今内蒙古呼和浩特西北）和徐世勣会师。两个人商量怎样对付。李靖说：“颉利虽然打了败仗，但是手下人马不少。如果让他逃跑，以后我们再要追他，就很困难了。我们只要选一万精兵，带二十天粮，跟踪袭击，一定能把颉利活捉住。”徐世勣也赞成这个意见。两支军队就向阴山进发。
颉利可汗求和实际上只是缓兵之计，想等草青马肥季节来到，再逃到漠北。他看到唐俭来到，以为唐太宗中了他的计，暗暗高兴，防备也自然松懈下来。
当天晚上，李靖和徐世勣率领唐军到了阴山，命令部将苏定方率领二百名轻骑，冒着夜雾悄悄进军。到突厥前哨发现唐军的时候，唐军离开颉利营帐只有七里地了。
颉利得知唐军骑兵来到，赶快找唐俭，唐俭已经瞅机会脱身回到唐营。颉利慌忙骑上他的千里马逃走。李靖指挥唐军追杀，突厥兵没有主帅，乱成一团。唐军歼灭突厥兵一万多，还俘获大批俘虏和牲畜。
颉利东奔西逃，最后带着几个亲兵躲在荒山里，被他的部下抓住后交给唐军，后来被押送到长安。
一度很强大的东突厥灭亡了。唐太宗并没有杀死俘虏。在东突厥原地设立了都督府，让突厥贵族担任都督，由他们管理突厥各部。
这次胜利，提高了唐太宗在西北各族中的威信。这一年，回纥等各族首领一起来到长安，朝见唐太宗，拥护唐太宗为他们的共同首领，尊称他是“天可汗”。
打那以后，西域各族人和亚洲许多国家的人，不断来到长安。在这一时期，我国高僧玄奘（音ｚàｎｇ）和尚也通过西域各国到天竺去。
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