由於大霧的掩護，蘇定方的先鋒軍逼近到距離突厥牙帳僅七裏處才被發覺，而此時李靖親率的主力距牙帳也隻有十五裏了。
對於突厥人來說，一切都來不及了。他們也搞不清唐軍到底來了多少人，軍心崩潰，根本無力招架。
蘇定方立即帶領手下兩百騎兵勇猛衝殺，斬殺突厥數百人，李靖引大軍隨後趕到，頡利可汗自知不敵，連忙狼狽逃竄，其部眾四處奔逃，唐軍此戰斬首萬餘級，俘男女十餘萬，獲雜畜數十萬，獲得了空前大捷。
頡利帶著萬餘騎兵突圍而走，欲度過磧口逃往漠北，結果一頭撞入唐軍的埋伏圈，大將李勣早已率軍在此等候多時了。
不得不佩服李靖的妙算和李勣的執行力，兩個名將精心配合，終於把一場大戰完美收官。
突厥人早已經是魂飛魄散，這個時候又見唐朝大軍擺開了陣勢，知道大勢已去，反抗到底也隻是白白送死，於是頡利的部下紛紛向唐軍投降，李勣俘虜五萬餘口而還，頡利隻好帶著幾個隨從向西逃竄，往依建牙於靈州西北的蘇尼失（頡利之侄），欲投吐穀渾。
大同道行軍總管李道宗引軍逼之，迫蘇尼失交出頡利，頡利見勢不妙，連夜逃走，蘇尼失追執之，不久，李道宗副將張寶相率軍襲擊蘇尼失營地，生擒頡利，蘇尼失也率眾投降唐朝。
至此，東突厥汗國徹底滅亡，南起陰山，北至大漠，皆被納入唐朝版圖。
唐滅東突厥，洗雪了國恥，徹底解決了北境邊患，大大提高了唐朝的國際地位和威望，使唐帝國成為亞洲霸主，為唐太宗李世民贏得“天可汗”的稱號。
捷報傳到長安，太宗大悅，謂侍臣曰：“朕聞主憂臣辱，主辱臣死。往者國家草創，太上皇以百姓之故，稱臣於突厥，朕未嚐不痛心疾首，誌滅匈奴，坐不安席，食不甘味。今者暫動偏師，無往不捷，單於款塞，恥其雪乎！”於是大赦天下，在宮廷裏大擺酒宴五日。
太上皇李淵聞之，亦喜不自勝，歎曰：“漢高祖困白登，不能報；今我子能滅突厥，吾托付得人，複何憂哉！”
李淵於是召李世民和貴臣十餘人及諸王、妃、公主置酒淩煙閣，喝到盡興的時候，李淵親自彈起了琵琶，李世民隨著音樂伴舞，眾公卿一再舉杯為李淵祝壽，大家歡樂了一整夜，到天明才盡興而且。
不久，頡利可汗被送到長安，四月五日，李世民在順天樓召見頡利，聲色俱厲地指責他說：“汝藉父兄之業，縱淫虐以取亡，罪一也；數與我盟而背之，二也；恃強好戰，暴骨如莽，三也；蹂我稼穡，掠我子女，四也；我宥汝罪，存汝社稷，而遷延不來，五也。然自便橋以來，不複大入為寇，以是得不死耳。”
頡利哭謝而退。
李靖建立了蓋世奇功，自然也引起了別人的嫉妒，不久，唐禦史大夫蕭瑀向李世民上書，彈劾李靖帶領大軍襲破頡利牙帳的時候，治軍不嚴，導致士兵大肆搶掠突厥的金銀財寶，要求把李靖交給有關部門處理。
李世民見到奏章，決定對李靖赦免，不允許有關部門彈劾李靖。
但是，李世民在李靖單獨拜見的時候，對李靖進行了狠狠的批評，大加責備。
李靖對此早已經心知肚明，自己立了大功，必然會引起同僚的嫉妒，也會引起君主的防範，自古以來，大將立功在外，功高震主，必然會遭受打壓，李世民作為一代英主，雖然不至於像隋文帝和隋煬帝那樣，嫉賢妒能，但是作為臣子，韜光養晦還是最好的生存之道。
李靖隻是不停地跪下磕頭，說自己有罪，請求陛下治罪。
李世民也是想借機觀察一下李靖的態度，是不是容易驕傲自滿，看李靖這個樣子，他自然就放心了，過了一會兒，李世民說：“隋史萬歲破達頭可汗，有功不賞，以罪致戮。朕則不然，錄公之功，赦公之罪。”
於是加靖左光祿大夫，賜絹千匹，食邑加至五百戶。
不久，李世民又召見李靖說：“前有人讒公，今朕意已寤，公勿以為懷。”
複賜絹二千匹，遷尚書右仆射。
李靖正式成為唐朝宰相，時年六十歲。
看到詔書的一刹那，李靖忽然想起多年前的一件事。
那還是隋煬帝的時候，有一次出差路過華山，因為鬱鬱不得誌，心情非常不好，於是他就順便到華山廟裏拜神。祈求諸位神仙給自己一個啟示，當時他聲色俱厲，旁若無人，大聲地說：“諸位神仙，請你們給我李靖一個明示，我李靖此生到底能做到什麼官職？難道就這樣一輩子屈居下流，被一幫屑小之輩呼來喝去，永無出頭之日嘛？！”
由於李靖的聲音很大，表情非常誇張，旁邊看到的人都以為他是個神經病患者，在這裏胡言亂語。
李靖佇立良久，得不到神仙的任何指示，隻好悻悻而去。
沒想到剛出廟門百餘步，就聽到背後有人喊：“李仆射好去！”
他回頭時卻又不見人影，心中甚是怪異。
沒想到六十歲，真的當上了仆射。