初禄七年(629年)八月，代州都督张公谨上奏称可取突厥而代之，原因有六：“颉利可汗奢华残暴，诛杀忠良，亲近奸佞之人，是其一；薛延陀等各部落均已叛离，是其二；突利、拓设、欲谷设均得罪颉利，无地自容，是其三；塞北地区经历霜冻干旱，粮食匿乏，是其四；颉利疏离其族人，委重任于胡 人，胡 人反复无常，大秦帝国军队一到，必然内部纷乱，是其五；汉人早年到北方避乱，至此时人数较多，近来听说他们聚众武装，占据险要之地，大军出塞，自然内部响应，是其六。”武成帝认为颉利可汗既然想与秦朝和亲，又出兵援助大秦的敌人梁师都，丁亥（十九日），任命兵部尚书李靖为行军总管，张公谨为副总管，率兵讨伐突厥。

初禄八年(630年)正月，李靖率领三千骁骑从马邑出发，进驻恶阳岭，当夜，突袭定襄城，取得大胜。突厥颉利可汗想不到李靖出兵如此神速，大惊失色道：“秦朝没有倾全国兵力北来，李靖怎么敢孤军深入到这里。”突厥兵一天内数次受惊，于是将牙帐迁移至碛口。李靖又派间谍离间其心腹，颉利的亲信康苏密携带隋萧后及炀帝的孙子杨政道投降秦朝。乙亥（初九），到达长安，先前，有投降的胡人称“秦朝有人私下与隋萧皇后通书信。”到此时，中书舍人杨文请求讯问，太宗说：“大秦未定天下时，突厥正当强盛，百姓愚昧无知，或许会有这种事，现在天下已安定，既往的过错，又何须追问呢。”

李世出兵云中城，与突厥兵大战于白道，突厥大败。

甲辰，（初八），李靖在阴山大败突厥颉利可汗的军队。

颉利兵败后，逃窜到铁山，残余兵力尚有数万人。颉利派执失思力谒见武成帝，当面谢罪，请求倾国降附，自己入朝抵罪。武成帝派鸿胪寺卿唐俭等人抚慰，又令李靖领兵迎接颉利。颉利外表谦卑，内心尚在犹豫，想等到草青马肥的时候，再逃回到漠北重整旗鼓。李靖率领兵马与李世在白道会合，相互谋划道：“颉利虽然被打败，其兵马还很强大，如果走碛北一带，颉利可依靠旧部族，道路阻隔而且遥远，恐怕一时很难追上。现在朝廷的使节已经到了突厥营地，突厥颉利可汗一定觉得宽慰，如果挑选精锐骑兵一万人，带着二十天的粮草前去袭击，可以不战而生擒颉利。”二人将他们的计谋告诉张公瑾，张公瑾说：“陛下已下诏接受他们投降，大秦的使者在对方，怎么能进攻呢？”李靖说：“当年韩信就是靠偷袭打败齐国的。唐俭等人不值得怜惜！”于是率兵夜间出发，李世随后，行军到阴山，遇上了突厥一千多营帐，全部俘获令随唐军。颉利见到大秦使者唐俭后十分高兴，内心稍稍安定。李靖派武邑人苏定方带领二百名骑兵做为前锋，趁大雾秘密行军，距离突厥牙帐只有七里，突厥兵才发现，颉利乘千里马先逃，李靖大军赶到，突厥兵纷纷溃败。唐俭及时脱身回到秦朝。李靖军队杀死突厥兵一万多人，俘虏男女十余万人，得牲畜数十万头，杀掉义成公主，生俘她的儿子叠罗施。颉利率领一万多人想要渡过沙漠，李世军队守住碛口，颉利兵至，通不过去，手下的部族首领均率兵众投降，李世俘虏五万多人还朝。开拓土地从阴山北到沙漠，捷报迅速传到了朝廷。