可是出乎颉利意料之外的是李靖身为统帅居然只带三千人马就从马邑潜至恶阳岭（今内蒙古和林格尔），然后趁夜幕降临之际悍然突袭定襄城（即大利城，在今内蒙古和林格尔西北 20 里处），给了突厥人一个新年的“惊喜”。这一下把突厥人打得措手不及，防卫森严的突厥大本营被唐军一鼓而下，在几十倍突厥人的眼皮子底下将定襄城占领。唐太宗听到这个消息不但立刻加封李靖为代国公，并赞叹道：“李陵以步卒五千绝漠，然卒降匈奴，其功尚得书竹帛。靖以骑三千，蹀血虏庭，遂取定襄，古未有辈，足报吾渭水之耻矣！”

　　仅仅这一下子，李靖的战略战术大师的身份便昭显无遗，首先正月这个时间天寒地冻，正是草枯马瘦的时节，突厥人的战马均以牧草为食，而这个天气最多只有之前预备的干草能够作为食料，马力削弱得很快。而中原马匹则是用大豆麦子等喂食，天气如何对马匹的食物来源影响不大。马匹对突厥人的重要性是毋庸置疑的，削弱了突厥人的马匹等于砍掉了突厥人最为强力的武器，因此天时上唐军就占据了优势。李靖这三千人带得也非常有学问，首先为了潜行匿踪考虑，人带多了必然会暴露身份，因此只能带三千人偷袭。李渊曾经率两千人改装冒充突厥人，获得过很大的成功，此次李靖想必也使用了类似的方法摸到了恶阳岭实施偷袭。当然少了也不行，李靖孤军犯险其实完全是一着置之死地而后生的险棋，他的原定计划其实是偷袭定襄得手之后以三千人死守定襄城，利用突厥人因为唐军兵少而轻视的心理把突厥人的主力牢牢地吸引在定襄，然后唐军主力在外合围，一举歼灭突厥人，三千人马就是保证了最低限度的战斗力。隋朝有达奚长儒两千兵马死斗沙钵略可汗十余万突厥兵，血战三昼夜，亦有李崇以三千步骑对突厥大军转战十余日，李靖出征之前想必也做好了死战到底的心理准备才能如此坚决地突袭定襄。　

　　李靖这边计划非常周详，换了一般人也就上当了，可是颉利可汗也是聪明人，凭着以往的经验他知道没那么简单，李靖决不会是来送死的，因此做出了李靖身后必然有唐军主力的推论，于是连忙率部北撤至碛口（今内蒙古呼和浩特北与沙漠交界处）。李靖一看计划有变，当即立断改变作战方案，一面率部于其后尾随，一面派遣了大批间谍对颉利部众进行离间，颉利国内本已不稳，这一招果然见效，颉利亲信康苏密等立即挟持隋场帝萧皇后及其孙杨政道前来归降。此时李世绩率领的唐军主力亦杀到，颉利可汗一见唐军主力仅有十万，于是大胆率主力与唐军会战于白道（今内蒙古呼和浩特北），唐军奋战之下突厥惨败，颉利只能率残部退守阴山。李靖则率骁骑穷追不舍，二月八日，李靖与颉利大战于阴山脚下，颉利又败，只得北逃至铁山（今内蒙古固阳北）。　

　　此时颉利知道再这样打下去肯定要完蛋，可是突厥马匹瘦弱，比速度一定会吃亏，根本逃不了多远。现在唯一的活路就是逃往漠北，可是沿途荒无人烟皆是沙漠，凭突厥现在的状态根本不可能逃出生天。于是颉利立刻派使者执失思力入朝谢罪，表示愿意举国内附，亲自入朝。这个做法自然是缓兵之计，使者从铁山到长安相距千里，一来一回就要月余，唐朝使者来了之后再想法拖延一段时间，很容易就能将时间拖至四月，而中国农历的四月基本相当于现代历的六月，此时草青马肥，天气回暖，突厥人便能恢复长途跋涉的能力，逃往漠北。此时颉利尚有数万死忠战士、十余万部众，加以时日卷土重来并不是难事。颉利的算盘打得挺好，中国历朝历代的皇帝最容易在这上面犯迷糊，李世民虽然非常精明，但是颉利愿意亲身入朝的说辞也使李世民相信了颉利是真心投降，于是派了鸿胪卿唐俭、将军安修仁为使者至颉利处慰抚，又派李靖迎接突厥部众归降。　

　　可惜颉利这个算盘能瞒得过别人却瞒不过李靖，正所谓聪明反被聪明误，李靖与李世绩一合计，觉得朝廷派使者来受降正是个好机会，正好将计就计把突厥彻底打垮。可是这事好说不好做，朝廷既然已经同意颉利的请降，下面将领再去攻打等于是抗旨，一般将领决没有这种胆量。因此当时李靖的副将张公瑾就表示了反对，认为诏书已经许降，使者又在突厥大营中，怎么能贸然就去攻打呢？李靖却当即立断地说：“韩信攻灭齐国就是用这个方法，比起消灭突厥人，唐俭区区一个使者又算得了什么？”

　　于是李靖亲自挑选了一万名精锐骑兵，带了二十天的干粮就趁夜急袭颉利大本营，而李世绩则率主力于其后进发，封堵突厥人北逃的要道碛口。唐军奔袭至阴山之时，正遇到一个数千帐的突厥部落，为了不暴露突袭的意图于是将他们全部俘虏后裹挟随军。此时颉利方面一看苦苦等候的唐朝使者终于到来，终于完全将心放下，彻底地放松了警惕。似乎冥冥中就是要让唐军取得这次胜利一般，天上又下起了大雾，等突厥人察觉之时，唐军距突厥人的大本营仅有七里之遥。凄厉的报警之声响彻夜空，突厥营地立时大乱，而唐军却如天兵天将一般猝然杀到，为首的一员猛将便是那演义中的大反派，淤泥河乱箭射死罗成的苏定方。颉利大惊失色，知道图谋已被唐军识破，连忙乘千里马逃窜。首领逃窜使得突厥部众军无战心，乱成一团，李靖趁机麾军掩杀，斩首万馀级，俘突厥男女部众十馀万，获杂畜数十万，杀隋义成公主，擒获其子叠罗施。颉利率亲信一路逃至碛口，却被李世绩的唐军主力等个正着，颉利只能折而向西，突厥贵族酋长们眼见大势已去于是纷纷跪地请降，李世绩俘虏了五万余口突厥部众而还。西逃的颉利一路奔至驻守灵州附近的沙钵罗设（这里沙钵罗是称号，设是官名）阿史那苏尼失处，企图由此南下，往依吐谷浑。而屯驻灵州的大同道行军总管李道宗闻讯后，一面派人威压阿史那苏尼失捉拿颉利，一面发兵北进。颉利非常精明，一见形势不妙慌忙连夜逃遁，藏匿于荒谷之中。阿史那苏尼失恐怕李道宗兴师问罪，率兵搜捕，终于擒获颉利。三月十五日，大同道行军副总管张宝相进至阿史那苏尼失营寨，将颉利执送长安，阿史那苏尼失亦举兵归降。　

　　此战后东突厥汗国作为一个政权被彻底灭亡，唐帝国斥地自阴山北至大漠，“天可汗”的名号响彻四方。此后约半个世纪（630 －682 年），突厥人臣属于中国。和硕?柴达木的突厥碑文上记道：“贵族子弟，陷为唐奴，其清白女子，降作唐婢。突厥之匐，弃其突厥名称（或官衔），承用唐官之唐名（或衔），遂服从唐皇，臣事之者五十年。为之东征向日出之方，西征远至铁门。彼等之克国除暴，皆为唐皇出力也。”原先被突厥人控制的西域，此时终于开始向新生的唐帝国招手，而为唐帝国打头阵的，正是先前投降的突厥人。