加食邑三千户，赐物六百段及名马、宝器等。李世民高兴地对大臣说：“汉朝李陵带领五千步卒进攻匈奴，最后落得归降匈奴的下场，尚且得以留名青史，李靖以三千骑兵深入敌境，攻克定襄，威振北狄，这是古今所没有的奇勋，足以雪往年在渭水与突厥结盟之耻。”
在李靖胜利进军的同时，李积也率军从云中出发，与突厥军在白道遭遇，唐军奋力冲杀，把突厥军打得溃不成军。颉利一败再败，损失惨重，遂退守铁山，收集残兵败将，只剩下几万人马。颉利可汗处于山穷水尽的境地，他派执失思力入朝请罪，请求举国归附唐朝，并表示愿意入朝。
李世民再任李靖为定襄道行军总管，率军迎接颉利，又派鸿胪卿唐俭、将军安修仁去抚慰颉利，李靖揣摩到李世民这样做的真实意图。前来会合的李积也和李靖商议说：“颉利虽然战败，人马还多，如果走过沙漠，得到九姓铁勒的庇护，道路遥远险阻，就很难追上他们了。如今下诏派唐俭到那里去，突厥必定放松戒备，我们随后去袭击，这样就可以不战而平定贼寇了。”李靖闻言大喜，握着手腕高兴地说：“您的这番话，就是韩信灭田横的策略啊。”他又对张公谨说：“使者到了颉利那里，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，这就是韩信能消灭齐国的道理。像唐俭等使者即使因此遭到不测，又有什么可惜的呢。”于是一起定计，李靖率兵连夜出发，李积领军跟进。
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，颉利见到唐俭等人，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，颉利慌忙骑马逃走，突厥军四散而逃。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，并擒获颉利之子叠罗施，杀死隋义成公主。颉利可汗率万余人想北过大漠，投奔沙钵罗设阿史那苏尼失，在碛口被李积阻拦，不能北逃，其首领大多投降。不久，颉利被行军副总管张宝相擒获，并送到京师，东突厥从此灭亡。
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李靖灭亡东突厥，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，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！”为此大赦天下，连续五日举宴庆祝。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，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，增加实封食邑。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。”再赐绢二千匹，被擢升为尚书右仆射，成为实际的宰相，地位仅次于左仆射房玄龄。李靖生性沉稳厚重，平时与朝臣商议国事时，总是恭谨温顺，像是不会说话一样。
李靖在青少年时曾锐意进取，然而一旦富贵在身，又深惧盈满，能知足而退。李靖被授为畿内道大使，作为巡察全国、考察风评的十三位特使之一。不久后，他即以足疾辞任，表奏中的言辞恳切，李世民明白他的心意，并十分欣赏他的这一举动，派中书侍郎岑文本转告他说：“朕纵观从古至今的历史，身处富贵而能知足的人很少。他们不论愚智，都不能有自知之明，才能即使不能胜任，也竭力想要任职，纵然有疾病，还自己勉强为官，不肯放弃职权。您能够识大体，见识深远够得上是可嘉的了，朕现在不仅成全您的美德，还想让您成为一代楷模。”特颁下诏书，加授他为特进，赐物千段，尚乘马两匹；如足疾稍好一些，每二三天可
