同時，經過三年多的經濟複蘇，唐朝也具備了足夠的物質實力，而且貞觀之初政局相當穩定。漸漸地，唐朝具備了反擊突厥的條件。
而突厥人自渭水之盟後，內部矛盾更加激化，頡利可汗的勢力逐步收縮。據說，貞觀元年時，陰山以北的薛延陀、回紇、拔古也等十餘個部落，相繼背叛頡利可汗。頡利可汗派突利可汗前去討伐，卻又吃了敗仗，僅以數騎奔還。
頡利那個怒啊，對著突利發火，把突利囚禁了十餘日。突利可汗更怒，難道我會故意打敗仗嗎？
二人於是結怨，突利可汗也暗自起了背叛之心。再加上頡利可汗在任用將領時，老是胳膊肘子往外拐，重用各種胡人，卻疏遠自家親族，使得其手下一幹親眾也漸漸心生不滿。而貞觀年間的各種災害，突厥自然也沒能逃過，牲畜損失慘重，饑荒四起。頡利可汗眼看沒吃、沒用的，這才想起來聚集突厥諸部，尋求他們的支持，但突厥人對他失望透頂，紛紛反叛。
各種條件已然具備，唐太宗可以發動一場揚眉吐氣之戰了。大戰的導火索是代州都督張公謹發來的一份戰略分析報告。
報告中稱：唐攻取突厥有六個方麵的優勢，“頡利縱欲逞暴，誅忠良，昵奸佞，一也。薛延陀等諸部皆叛，二也。突利、拓設、欲穀設皆得罪，無所自容，三也。塞北霜旱，餱糧乏絕，四也。頡利疏其族類，親委諸胡，而胡人反複，大軍一臨，必生內變，五也。華人入北，其眾甚多，比聞所在嘯聚，保據山險，大軍出塞，自然響應，六也。”
張公謹的分析可謂相當客觀和全麵了，他甚至注意到在突厥勢力範圍內有許多唐人遷入，到時可以呼應朝廷軍隊。
貞觀三年八月二十三日，唐太宗部署五路大軍討伐突厥：並州都督李勣為通漢道行軍總管，出雲中；兵部尚書李靖為定襄道總管，出定襄；華州刺史柴紹為金河道行軍總管，出金河；靈州大都督薛萬徹為暢武道行軍總管，出營州；而已在靈州的任城王李道宗原地候命。五路軍共計十餘萬人，皆受李勣節度。
在唐朝調集大軍和糧草物資的時候，頡利可汗率先發起了試探性的進攻。十一月，突厥人進攻河西諸州，卻被肅州刺史公孫武達和甘州刺史成仁重擊退，俘虜千餘人。十二月，突利可汗徹底背叛頡利可汗，入朝長安。
這件事讓唐太宗特別高興，他對大臣們說：“以前太上皇為了愛惜百姓，稱臣於突厥，我常常感到痛心。今天單於稽顙（跪拜，以頭觸地），總算一雪前恥啦。”
貞觀四年正月，五路唐軍對頡利可汗發起了泰山壓頂般的攻擊。其中以李靖一路戰績最為突出。
李靖率領三千驍騎兵，以日行百裏的神速從馬邑突進惡陽嶺。頡利可汗對神兵突降的李靖毫無準備，一下子被打亂了陣腳。他做了一番思考，最後認定李靖身後必有數量巨大的後援，不然哪敢如此孤軍深入？
頡利可汗不敢輕舉妄動，但李靖一刻也沒閑著。到了突厥大營附近，就派出間諜打入敵人內部玩反間，而且玩的是成本最低的“生間”。不但間諜同誌安然無恙的回來了，還帶來了頡利親信康蘇密的部落。
這就沒必要再等下去了嘛，李靖抓住突厥人心惶惶的機會，趁夜奔襲定襄。頡利猝不及防，被殺了個大敗，匆匆逃亡磧口。
李靖旗開得勝，攻占定襄，讓唐太宗感到歡欣鼓舞。他當眾高度評價了李靖的用兵才能：“昔年李陵（漢武帝時大將，李廣之孫）率步卒五千，不免身降匈奴，還能留名青史，李愛卿以三千騎兵深入敵後，一舉克複定襄，威震北狄，簡直是古今未見的奇功。足以報當年渭水之恥。”
唐太宗的雪恥之路並未就此止步。定襄大捷後，李勣帶兵從雲中出發，追擊頡利可汗，在白道時與突厥部隊相遇。李勣同為唐初名將，在手握重兵的情況下，打打倉皇逃竄的頡利，還不是跟玩兒一樣。於是，唐軍又取得了一次大勝。
頡利可汗被打慘了。二月，他退到鐵山，收拾殘兵，大約還有數萬人的樣子，但短期內已無力再與唐軍展開正麵抗衡了。
好在突厥人不像漢人那麼講究禮義廉恥，打不過就認輸好了，沒太多心理障礙，於是他又派那位執失思力覲見太宗。
這一次使者先生沒那麼牛逼哄哄了，老老實實傳達了頡利可汗謝罪、請降的懇求。太宗便按照禮儀，請外交部長（鴻臚卿）唐儉撫慰突厥使者，又令李靖率兵迎接頡利可汗入朝。
當時，李靖正與李勣會師於白道。兩位傑出軍事家開了碰頭會，對當前形勢和突厥人的特點進行了一番討論，最後一致認定：頡利這家夥雖然暫時兵敗，但猶擁兵數萬，要是讓他逃亡到漠北，與回紇九姓部族聯合，必為大患。而且漠北道路遠阻，到時候你想追都追不上。
現在唐儉不是正出使突厥嗎，頡利一定會放鬆警惕，這時候我們要是選出精騎一萬，帶上二十日軍糧發起突襲，絕對能將頡利一舉成擒。到時候，還議什麼和啊，要殺要剮，全憑咱皇上一句話，那多痛快！
兩人計議已定，把這話通知給張公謹。沒想到，張公謹對此表示反對，他說：“皇上已經下詔答應他降唐，使者都派去了，怎麼能再去偷襲人家呢。”
李靖哈哈大笑，張公真乃書生意氣耳，我這正是韓信當年乘其不備一舉破齊的老招數啊。隻要能徹底把突厥打得永世不得翻身，犧牲一個唐儉也不足惜。
不管張公謹能不能理解，李靖、李勣要幹什麼事，那就一定會去做。當夜，李靖勒兵先行一步，李勣帶兵作為後援。
唐軍開至陰山下，看到草原上有千餘帳突厥人，於是將他們全部俘獲，帶在軍隊後麵一同前進。這當口，唐儉也來到了頡利可汗處求見。頡利一看外交官來了，大喜過望，一顆懸著的心終於放下了。
兩位李將軍看人看事可謂神準，頡利確實在考慮將來的出路，也確實打算混過這一陣低潮期，便逃亡漠北聯合回紇諸部去。
可惜，他的小算盤很快就破滅了。
那天，草原上起了茫茫大霧，能見度極低。突厥哨兵在帳外瞭望，一眼望去，天地一片蒼茫，仿佛回到了盤古開天之前的混沌狀態。忽然，哨兵們發現遠處影影綽綽有一隊人馬從濃霧中浮現出來，不禁交頭接耳，搞不清來者何人。
等到確實看清那是一隊最為彪悍精良的大唐騎兵時，人家距離頡利的大帳已不足七裏路了。
突厥大營頓時炸了鍋，頡利可汗衝出軍帳，拉過一匹什麼汗血千裏馬，騎上就跑。連老婆、孩子估計都沒顧上，哪裏還顧得上唐儉。
眨眼間，唐軍已經殺來。其實一共才二百騎而已，但驚恐的突厥人群龍無首，紛紛潰逃。使得唐儉趁著混亂，順利脫身逃走了。
此戰結果可謂大獲全勝，皆大歡喜。唐軍幾乎沒什麼嚴重的人員傷亡，卻斬敵萬餘，俘虜男女十餘萬口，牲畜幾十萬頭，發了筆橫財。
頡利帶著萬餘殘部沒命地往北奔逃，想要遁入大漠。走到磧口，不禁兩眼一黑，因為李勣早已帶兵在此恭候多時啦。
兩軍接戰，頡利奪路而逃。族內的大酋長們可不是人人都有千裏馬騎，他們大概覺得跟頡利混下去沒什麼前途，一股腦向李勣投降了。
李勣這邊俘虜共計五萬口，同樣大勝而歸。
頡利可汗跑到了蘇尼失部，蘇尼失為原先老可汗啟民的異母弟弟，有部落五萬，設帳於靈州西北。本來頡利還想再去聯絡吐穀渾部族，可大同道行軍總管任城王李道宗及時趕到，威逼蘇尼失領地，令其立即執送頡利。
頡利聞訊，又跑了。這次沒地方可去，隻好隱匿於荒野之中。蘇尼失害怕唐朝怪罪，趕緊派人追趕，把又累又餓的頡利帶了回來。