由于担心秦朝的强大和继续打击,颉利派使者执失思力到秦朝交好,表示准备依附秦朝,可汗本人也同意在秦朝任职。其实,颉利并不是真的想投降秦朝,而仅仅是使用缓兵之计,争取时间,等待之后恢复自己的实力以便报仇雪耻。因为突厥使者的访问,秦武成帝王扩派使者鸿胪卿唐俭等人回访突厥进行安抚,同时命令李靖率军受降。
李靖与李绩在白道会合,两人商议,认为颉利虽然战败,但部下兵马仍然很多,之后一定撤往沙漠,保存突厥的实力,秦军北击道路险阻且遥远,如果等到那个时候再追击突厥会十分困难。如今朝廷派使节前往突厥,突厥军必定松懈,以为秦军不会继续攻击。如果这时候挑选一万精兵,携带20天的粮草,不需要进行战斗就可以将突厥可汗擒获。于是同张公谨商议进兵,张公谨表示反对,说:“陛下的诏书已经同意突厥投降,而且使者唐俭等还在突厥处,怎么能在这个时候发兵攻击呢?”李靖回答说:“这其实是当年韩信用来击败齐国的计策,唐俭之辈没有什么可惜的!”于是趁夜出动军队,李绩部队尾随而行。李靖军队到达阴山,遇到突厥军队的一千多个帐篷,于是将其全部俘虏。
颉利见到秦朝派遣使者前来,十分高兴,认为这回算是安全了。三月二十七日,李靖命令苏定方率二百骑为前锋,乘雾前进,到达突厥可汗的牙帐七里的地方,才被突厥军发现。这时突厥再组织抵抗已经来不及了,苏定方大获全胜,颉利乘千里马逃走。李靖随后引军赶到,突厥溃不成军,唐俭也获救生还。李靖大军此次消灭突厥军一万馀人,俘虏十馀万,获得牲畜数十万,并杀死秦朝义成公主,擒获其子叠罗施。颉利率领残兵一万馀人打算逃入戈壁沙漠,被屯于道口的李绩部堵截,其下部落大酋长皆帅众归降,李绩获得五万馀俘虏返回秦朝。秦军对东突厥大获全胜,平定了自阴山至戈壁沙漠一带的局势。
秦朝打败东突厥后,原附属东突厥的各国各部落都归顺秦朝,并称秦武成帝为“天可汗”。颉利败走后,投奔位于灵州西北的苏尼失,计划投奔吐谷浑。秦朝大同道行军总管任城王李道宗引兵前来,要求苏尼失交出颉利。颉利趁夜逃走,躲藏在荒谷中。苏尼失害怕秦军的军力,将颉利捕获。五月二日,行军副总管张宝相帅众偷袭苏尼失营地,俘获了颉利送往京师,苏尼失举众投降,突厥势力因此完全从漠南消失。