时间来到贞观三年八月，薛延陀毗伽可汗派遣其弟统特勒来长安上贡，太宗赐给宝刀和宝鞭，并对他说，“你的部落如果有人犯了大罪就用这把刀将他斩首，如果有人犯了小罪，就用这宝鞭抽打他”！夷男知道后大喜。颉利可汗听说后非常害怕，于是派遣使者入长安称臣并请求大唐能够赏赐一名公主进行联姻。这时候，代州都督张公晋上书称突厥此时可以被攻灭的理由——第一，颉利可汗暴虐无度，杀害忠臣，宠幸奸佞；第二，薛延陀等部落反叛；第三，将突利、拓设、欲古设等不困都得罪；第四，塞北霜冻干旱气候恶劣异常，突厥人粮草匮乏，牲畜大减；第五，颉利疏远自己的亲族，亲近其他胡人部落，胡人反复无常，一旦大军降临胡人一定反叛则必有内乱；第六，华人有很多迁居到北方，大多占据有利山川地形，大军出塞一定多归复。于是太宗决定北征。三月十九日，太宗命令兵部尚书李靖为行军大总管，张公瑾为副，征讨突厥。九月初九，颉利俟斤等九人率领三千骑兵来投降。九月二十一日又有拔野古、仆固、同罗等部落来降。
十一月突厥颉利可汗先发入寇，分别进攻河西各州，肃州刺史公孙武达，甘州刺史成仁重等迎战破之（时李大亮为凉州都督守凉州－治今武威市），擒突厥千余人。同月二十三日；太宗乃部署五路大军进击：
（一）改命李靖为定襄道行军总官，出定襄（治今山西平鲁县西北）。
（二）华州刺史柴绍为金河道行军总管，出金河（今绥远清水河县）。
（三）任城王道宗出灵州道（今宁夏灵武县）。
（四）灵州大都督薛万彻为畅武道行军总管，出营州（今热河朝阳县）。
（五）行并州都督李世勣为通漠道行军总管，出云中（今山西大同）。
以上五路共十余万，皆受李勣节度。十二月突厥突利可汗入朝长安。靺鞨亦遣使入贡。同月二十四日突厥郁射设率所部降。贞观四年正月，李靖率骁骑三千自马邑（朔县）出颉利可汗预料之外，进军至恶阳岭（今和林格尔县南）。颉利没有料到唐军突然出现，大惊，曰：“唐兵若不倾国而来，靖岂敢孤军而至！李靖听说后秘密派遣间谍离间颉利可汗的心腹，于是颉利亲信都来投降。李靖于是夜袭定襄，大破之，俘虏杨正道以及隋炀帝萧后送于长安。颉利仅以身遁，欲退屯于碛口（大碛之口。今固阳县西北乌拉特中旗之东）。李世勣自云中（今大同）追至白道（归绥县北接武川县境）， 与颉利战又大破之。颉利退屯铁山（今固阳县北）。
颉利败退铁山，收余众尚数万，遣执失思力入见太宗谢罪，请举国内附，身自入朝。太宗乃遣鸿胪卿唐俭等慰抚之，又诏李靖将兵迎颉利。但颉利外为卑辞，内实犹豫，欲俟草青马肥，亡入漠北。李靖军至白道与世勋会师，相与谋曰：“颉利虽败，其众犹盛，若走度碛北，保依九姓°, 道阻且远，追之难及。今诏使至彼，虏必自宽，若选精骑一万，赍二十日粮往袭之，不战可矣。”以其谋告张公瑾，公瑾曰：“诏书已许其降，使者在彼，奈何击之？”靖曰：“此兵机也，时不可失，韩信所以破齐也。如唐俭等辈何足惜！”于是定计。靖将兵逼夜而发，世勋继之而进邀其归路。二月初八日靖军至阴山（今归绥县北三十里）， 遇突厥千余帐，袭俘之以随军。是时颉利适已见唐使者唐俭，大喜，意自安。靖使匡道府折冲苏定方率二百骑为前锋，乘雾而进，去颉利牙帐一里许，忽然雾歇（似在黎明后雾为阳光照射而散）， 望见其牙帐，虏乃觉之。定方疾驰袭击之，掩杀数十百人。颉利仓猝与隋义成公主狼狈散走，靖军继至，虏众遂溃。唐俭脱身得归。靖斩虏首万余级，俘男女十余万，获杂畜数十万。杀义成公主，擒其子叠罗施。颉利收拾余众万余人欲度碛（即大漠）， 李世勣已军于碛口，颉利至不得度，其大酋长皆率众降，世勋虏五万余口而还（似连前白道所虏者）。颉利乘千里马奔依苏尼失小可汗（苏尼失者，启民可汗之母弟。始毕可汗时为沙钵罗设，督部落五万家牙于灵州西北。颉利政乱，苏尼失独不携贰。及突利可汗降唐，颉利乃以苏尼失为小可汗）， 将奔吐谷浑。大同道行军总管（此大同在绥远乌拉特旗西北安北县境）任城王道宗引兵自灵州逼之，使苏尼失执送颉利。颉利率数骑夜遁，匿于荒谷。苏尼失惧，驰骑追获之。三月十五日行军副总管张宝相将兵奄至苏尼失营，遂俘颉利送于长安。苏尼失亦举众降。于是漠南之地悉平，唐拓地自阴山至于大漠焉。此役，以李靖之功为最，太宗封其为代国公，赐物六百段及名马宝器。太宗因谓靖曰：“昔李陵提步卒五千，不免身降匈奴，尚得书名竹帛。卿以三千轻骑，深入虏庭，克复定襄，威振北狄，古今所未有。足报渭水之役！ ”李世勣亦以功授光禄大夫行并州大都督府长史（时高宗治为晋王，遥领并州大都督）。其余将士皆有封赏。
贞观四年三月，颉利可汗至长安，太宗以其自便桥结盟以来，不复大为入寇而赦之，馆于太仆，厚廪食之。并以突厥夹毕特勒阿史那思摩（后赐姓李思摩）为右武候大将军（思摩，颉利族人，武德初数使于唐。与颉利俱被擒）。又以突利可汗为右卫大将军北平郡王。于是四夷君长诣长安，请太宗为天可汗，是后以玺书赐西北君长，皆称可汗。
颉利可汗国既亡，其部落或北附薛延陀，或西奔西域，其降唐者尚十余万口。唐为处理如许之降众，乃诏群臣议区处之宜。于是朝士多言：“北狄自古为中国之患，今幸而破亡，宜悉徙之河南兖豫之间，分其种落，散居州县，教之耕织，可以化胡虏为农民，永空塞北之地。”
中书侍郎颜师古以为：“空厥、铁勒（敕勒）， 皆上古所不能臣。陛下既得而臣之，请皆置之河北（今河套北河之北地区）， 分立酋长，领其部落，则永无患矣。”
礼部侍郎李百药以为：“突厥虽云一国，然其种类区分，各有酋帅。今宜因其离散，各即
本部署为君长，不相臣属，纵欲存立阿史那氏，惟可使存其本族而已。国分则弱而易制，势敌则难相吞灭，各自保全，必不能抗衡中国，仍请于定襄置都护府为其节度，此安边之长策也。”
夏州都督窦静以为：“戎狄之性，有如禽兽，不可以刑法威，不可以仁义教。况彼首丘之情未易忘也。置之中国，有损无益，恐一旦变生，犯我王略。莫若因其破亡之余，施以望外之恩，假之王侯之号，妻以宗室之女，分其土地，析其部落，使其权弱势分，易为羁制，可使常为藩臣，永保边塞。”
中书令温彦博以为（往年被俘于突厥，此时已释还）：“徙于兖豫之间，则乖违物性，非所以存养之也。请准汉建武故事，置降匈奴于塞下，全其部落，顺其土俗，以实空虚之地，使为中国扦蔽，策之善者也。”
秘书监魏徵以为：“突厥世为寇盗，百姓之雠也。今幸而破亡，陛下以其降附，不忍尽杀，宜纵之使还故土，不可留之中国。夫戎狄人面兽心，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。晋初诸胡与民杂居中国，郭钦、江统皆劝武帝退出塞外，以绝乱阶。武帝不从，后二十余年，伊洛之间，遂为毡裘之域，此前事之明鉴也。”
温彦博驳魏徵曰：弃之而不受乎？孔子曰＇有教无类＇， 若救其死亡，授以生业，教之“王者之于万物，天覆地载，靡有所遗。今突厥穷来归我，奈何礼义，数年之后，悉为吾民。选其酋长使人宿卫，畏威怀德，何后串之有！”太宗以颉利之国虽亡，薛延陀方兴，北边之患犹尚未已，乃用温彦博之策，以处突厥降众。其区处大要如次：（一）东自幽州，西至灵州之东突厥故地，悉置州以统之。分突利故所统之地，置顺、祜、化、 长四州都督府（治今热河朝阳县南。似在察哈尔张家口北，古北口外，绥远集宁）。又分颉利之地为六州（即定襄、云中都督府、北开州、北宁州、北抚州、北安州、丰州等，东自今归绥西至灵武）， 左置定襄都督府，右置云中都督府（前者治今绥远鄂尔多斯左翼，后者似在今山西大同附近）。
（二）以突利为顺州都督，使率部落之官，阿史那苏尼失为怀德郡王北宁州都督、右卫大将军。阿史那思摩（与颉利俱被擒）为怀化郡王右武候大将军、北开州都督，居河南（今绥远伊克昭盟地）。以中郎将史善应（阿史那种）为北抚州都督，右骁卫将军康苏为北安州都督，以统颉利旧众。又以史大奈（见前）为丰州（治今鄂尔多斯右翼后旗）都督。其余酋长至者，皆拜将军中郎将，布列朝廷，五品以上百余人，殆与朝士相半。因而入居长安者近万家（此皆为贞观四年四至六月之事）。此乃太宗利用突厥降众以为北方国防之扦蔽，以拒铁勒诸部之南侵。又选其勇锐以充将士，为强兵之政策也。（三）突厥既亡，营州都督（治今热河朝阳县）薛万淑（万均乙兄）遣契丹酋长贪没折说谕东北诸夷、奚、雷、室韦等十余部皆内附。（四）贞观四年七月，以凉州都督李大亭为西北道安抚大使，于倾口（今甘肃安西县西北与新疆交界处）贮粮，以招慰西突厥种落散在伊吾者（今新疆东境。此时西突厥有莫贺叫可汗之乱）。于是伊吾城主举其属七城降唐（隋时为伊吾郡，隋乱降突厥。颉利既灭，同年九月降唐）， 以其地置西伊州（贞观六年改伊州）。
（五）至贞观十年正月（八年征吐谷浑详次章）， 处突厥拓设阿史那社尔部落于灵州之北。社尔乃处罗可汗之子，以智略闻。处罗以为拓设，建牙于碛北，与欲谷设分统敕勒诸部。及薛延陀反叛，欲谷设、社尔兵亦败，将其余众走保西陲（其事已见前述）。颉利可汗既亡，西突厥亦乱，咄陆可汗争国，社尔诈往降之，引兵袭破西突厥，取其地几及半，有众十余万，遂自称答布可汗。社尔乃谓其诸部曰：“首为乱破我国者，薛延陀也。我当为先可汗报仇击灭之。”遂举众东向击薛延陀于碛北，连兵百余日，会噔利失可汗立（其事详见下征西突厥之战）， 社尔之众苦于久役，多弃社尔逃归，薛延陀乘而击之，社尔大 败，走保高昌（今新疆吐鲁番县地）。此时社尔仅有残余之众万余家，又畏西突厥之逼，遂率众诣唐降。唐此时之决策，正欲扶植阿史那氏以代颉利，遂处其众于灵州之北，留社尔于长安为左骁卫大将军，尚皇妹南阳长公主，典兵宿卫。等十二至净择十款币办即3通（六）贞观十三年四月，中郎将结社率（突利之弟）以久不进秩怨望，遂拥突利之子贺逻鹃率四十余人夜袭九成宫（时太宗幸于此宫），为卫士所拒，及晓盗取马二十余匹渡渭，欲奔其部落，被追获斩之，谪贺逻鹘于岭表。太宗经此次事变后，乃决计将突厥在内地诸州安置者，皆令北渡河，还其旧部。遂于七月命李思摩（即阿史那思摩）为乙弥｀泥孰俟利芯可汗，北渡河统突厥诸部，欲以加强北方之扦蔽。但突厥咸惮薛延陀，不敢出塞。太宗乃遣使于薛延陀，说以更立突厥可汗之意，与薛延陀分碛南北统之。薛延陀奉诏，于是思摩率所部建牙于河北（十五年正月始渡河建牙于故定襄城一一今绥远和林格尔县）。有众十万， 兵四万。又以左屯卫将军阿史那忠（苏尼失之子，妻以宗女）为左贤王，左武卫将军阿史那泥孰为右贤王。于是东突厥复国。翌年（是年灭高昌）三月又置宁朔大使，以护突厥。观太宗以上诸措施，盖为谋巩固北方东自营州西至伊州之国防线，以备薛延陀。
当颉利可汗败亡时，余众奔薛延陀者，欲奉突厥同族之酋帅斛勃（突利部人，世为突厥小可汗）为大可汗。时薛延陀方强，斛勃不敢当，率其众走依之。其为人沉果有智数，故有说薛延陀者，以斛勃突厥贵种有勇略，为众所附，恐为后患，不如杀之。斛勃知之，逃去。薛延陀遣数千骑追之。斛勃勒兵与战，大破之。乃建牙于金山之北（其地三垂斗绝，唯一面可容车骑，壤土夷博，即今科布多河谷）， 自称乙注车鼻可汗。突厥余众稍稍归之，数年之间，战兵三万，其西葛逻禄（西突厥，在今新疆北部）， 及北方结骨皆为所并。时出抄掠薛延陀。及薛延陀败（唐击败薛延陀事在贞观十五年至二十年，其事详见下）， 车鼻势益张。遣其子沙钵罗特勒入贡于唐，又请身自入朝（贞观二十一年十一月）。唐诏遣将军郭广敬征之，而车鼻好言推却不至。
贞观二十三年（649年）正月，太宗以车鼻拒命，遣右骁卫郎将高侃潜发回纥、仆骨等部兵袭击之。兵入其境，其下诸部落相继归降。其长子羯漫陀先统拔悉密部，泣谏其父附唐不听，至此乃以拔悉密等部来降，以其地置新黎州（今绥远西北部乌拉特旗境）以统其众。十月又以突厥诸部置舍利、思辟、阿史那、绰、白登五州（今绥远包头以东至集宁间地区）， 隶定襄都督府。置苏农、阿德、执失、拔延（余二州史失载）等六州（今绥远伊克昭盟及宁夏东南地区）， 隶云中都督府。
翌年（唐高宗永徽元年，650年。太宗于上年五月崩）六月，高侃击突厥至阿息山（似今察斯图博格多峰东麓）， 车鼻可汗召诸部兵，皆不赴，遂携爱妾与数百骑遁走。侃率精骑追至金山（似今阿尔泰山上托尔泊）， 擒之以归，其众皆降。九月，车鼻至长安，释之，拜左武卫将军，处其余众于郁督军山。置狼山都督府（似今绥远乌拉特旗西北，狼山之西北）以统之，于是突厥尽为封内之臣。高侃以是役之功，拜为卫将军。又分置单于、瀚海二都护府。单于都护府（今山西大同县附近）领狼山、云中、桑乾三都督，苏农等二十四州。瀚海都护府（今归绥县西）领瀚海、金微、新黎等七都督，仙、萼等八州，各以其酋长为都督刺史。至此，东突厥之支党尽亡。
