可汗，李靖揣摩到李世民这样做的真实意图，对张公谨说：“使者到了颉利可汗那里，突厥必定会放松戒备。我们就乘此良机，选拔精骑一万，携带二十天的军粮，带兵从白道袭击突厥。”张公谨说：“陛下已经下诏准许颉利可汗归降，朝廷派去的使者也在那里，恐怕不宜去讨伐进击。”李靖说：“这正是用兵的良机，时机不可错过，这就是韩信之所以消灭齐国的道理。像唐俭等使者即使因此遭到不测，又有什么可惜的呢。”李靖率军进至阴山，遇到突厥斥候千余帐，一战而全部俘获，命与唐军同行。这时，颉利可汗见到唐使臣，放松了戒备。唐军前锋苏定方率领的两百余骑又乘着大雾，悄然疾行，直到距牙帐七里远的地方才被发觉。如同惊弓之鸟的颉利可汗慌忙骑马逃走，突厥军也四散而逃。李靖大军随之赶到，杀敌一万余人，俘虏十几万，缴获牛羊数十万只（头），并杀死隋义成公主。颉利可汗率万余人想北过大漠，在碛口受李勣所阻，不能北逃，其大酋长皆率众投降。不久，颉利可汗被大同道行军总管、任城王李道宗擒获，并送到京师。突厥从此宣告灭亡。
自隋朝以来，突厥是西北的强国。李靖等灭亡突厥，不仅解除了唐朝西北边境的祸患，而且也洗刷了李渊与李世民向突厥屈尊的耻辱。因此，李世民颇有感慨地说：“我听说君主忧愁臣觉得耻辱，君主受辱臣甘愿赴死。从前大唐草创之时，太上皇因为百姓的缘故，向突厥称臣，我为此常常痛心疾首，立志要剪灭突厥，为此坐不安席，食不甘味。现在只暂时调动一部分军队，就无往不胜，使单于归顺，终于洗雪当年称臣的耻辱！”太上皇李渊也欣喜万分，他把李世民及贵臣十几人，还有诸王、王妃、公主等召至凌烟阁，设宴庆祝。李渊一时兴起，还亲自弹起了琵琶，李世民起舞，大臣们也接连起身举杯祝贺，一直延续到深夜。李靖虽在战场上勇猛善战，叱咤风云，但却性情沉厚。事后，御史大夫萧瑀劾奏李靖治军无方，在袭破颉利可汗牙帐时，一些珍宝文物，都被兵士抢掠一空，请求司法部门予以审查。李世民狠狠地训责李靖，李靖叩首谢罪。过了好久，李世民对李靖说：“隋朝的将领史万岁打败了达头可汗，可是隋朝不予奖赏，因此导致灭亡。朕就不是这样，应当赦免你治军无方的罪，记录你击败突厥的功勋。”于是下诏加封李靖为左光禄大夫，赐绢千匹，增加封地连同以前的达到五百户。不久，李世民又对李靖说：“以前有人诽谤你，现在朕已经明白了真相，你千万不要把这事放在心里。”这时又赐给李靖绢二千匹，提升他为尚书右仆射。李靖生性沉稳厚重，平时与朝臣一起参议国事时，总是恭谨温顺，像是不会说话一样。