贞观二十年正月初八，夏州都督乔师望、右领军大将军执失思力进击薛延陀，大败之，俘虏2000余人，多弥可汗乘轻骑北逃。多弥可汗生性暴躁，对臣下猜忌，少施恩惠，对其父所用贵臣多加杀戳，专任自己的宠信之辈，部众不服，遂至骚乱。回纥酋长吐迷度与仆骨、同罗联兵进攻薛延陀，多弥大败。

唐太宗见击灭薛延陀时机已到，遂于六月十五日命李道宗、阿史那社尔为瀚海安抚大使，执失思力率突厥兵，右骁卫大将军契苾何力统领凉州及胡族兵，代州都督薛万彻、营州都督张俭各率本部兵马，分兵几路，齐头并进，进攻薛延陀。

由于攻击已经开始，唐校尉宇文法是出使乌罗护、靺鞨的使者，返回唐朝时，他遇到了薛延陀的阿波设。宇文法率领他的靺鞨部队，击败阿波设。导致更多的薛延陀人相信唐朝主力已经抵达。

在恐慌中，拔灼逃到阿史德部落，当回纥听到这个消息，袭杀了拔灼，屠戮他们找到的薛延陀的王族成员。在回纥接管了薛延陀的大部分领土后，许多薛延陀人向唐军投降。

剩下的薛延陀人支持夷男的侄子咄摩支为伊特勿失可汗，以图恢复薛延陀。但唐朝和敕勒都不表示承认。

多弥可汗见大势已去，率数骑投奔阿史德时健部落。回纥发兵进攻该部落，杀死多弥可汗，其宗族也被屠戮殆尽。薛延陀余众7万余口向西溃逃，拥立夷男侄子咄摩支伊特勿失为可汗。

咄摩支伊特勿失遣使上书朝廷，请求在郁督军山（即今蒙古国境内杭爱山东支）北麓保聚驻牧。唐太宗派李绩和兵部尚书崔敦礼前去安抚。

唐太宗派李勣前去咄摩支伊特勿失的驻地，指示他：“降则抚之，叛则讨之。”

李勣至郁督军山，其酋长梯真达官帅众来降，但他却暗中图谋再起。李勣识破其计，遂纵兵讨击，斩杀5000余人，俘男女3万余口，将咄摩支伊特勿失带回了长安。

李道宗率兵渡过沙漠，薛延陀达官阿波率数万人抵抗。李道宗将其击败，杀千余人，乘胜追击200里。

回纥、拔野古、同罗、仆骨、多滥葛、思结、阿跌、契苾、跌结、浑、斛薛等铁勒11部酋长相继前来请求归附唐朝。求置唐官，同为编户，并设州郡。

自此，唐朝彻底灭了薛延陀，使北部边境从此得以安定。