李靖很快便攻下定襄，得胜还朝。唐太宗十分高兴，说：“从前汉朝李陵带领五千兵卒，结果被匈奴所俘虏；现在你以三千轻骑深入敌人后方，攻下定襄，威震北方，这是自古以来少有的成功战例啊！”
颉利逃到阴山以北，担心唐军继续追赶，便派使者到长安求和，还说要亲自前来朝见。唐太宗一面派唐俭到突厥安抚，另一方面又命令李靖带兵前去察看颉利动静。
李靖领兵来到白道（在今内蒙古呼和浩特西北），与在那里的徐世会师。两个人商量对付颉利的办法。李靖说：“颉利虽然打了败仗，但是手下还有很多人马。如果让他逃跑，以后再要追他，就很困难了。我们只要选1万精兵，带20天的粮，跟踪袭击，把颉利捉住，就可以大获全胜了。”徐世表示赞成，两支军队便向阴山进发了。
颉利得知唐军骑兵来到，慌忙上马逃走。李靖指挥唐军追杀，突厥兵没有主帅，全军溃败。唐军歼灭突厥兵1万多，俘获了大批俘虏和牲畜。颉利东奔西逃，最后被他的部下抓住交给唐军，随后被押送到长安。
一度很强大的东突厥就这样灭亡了。唐太宗并没有杀死俘虏，同时，在东突厥原址设立了都督府，让突厥贵族担任都督，并由他们管理各部突厥。
这次胜利，使唐太宗在西北各族中的威信大大提高。这一年，回纥等各族首领一起来到长安，朝见唐太宗，拥护唐太宗为他们的共同首领，尊称他是“天可汗”。
从那以后，西域各族人和亚洲许多国家的人，不断来到长安拜见和观光。在这一时期，我国高僧玄奘也通过西域各国去天竺求取佛经。