命令执失思力率领夏州、胜州北部的4万余突厥骑兵与李道宗等唐军相互呼应。
唐军及突厥骑兵共计近10万，由任城王李道宗作为总指挥，其他各军都受其节度调用，分兵把守、攻击薛延陀人。
同时，派遣使者出使回纥部落，诏命趁薛延陀倾巢而出塞南地区时，回纥部落首领吐迷度率领部落兵抄薛延陀的后路，并许诺帮助回纥建立汗国、册封其首领吐迷度为可汗。
薛延陀多弥可汗率军10万到达塞南草原后，发现唐军已经严阵以待，不敢贸然进犯，他先“捡软柿子捏”，率领薛延陀军队向夏州、胜州北部的突厥人发起进攻。
执失思力故意派出5000突厥骑兵前去挑战，刚与薛延陀军队交手半个时辰，就假装抵御不住退却，薛延陀人素来轻视突厥人，认为突厥人一直以来都是他们的手下败将，就毫无防备地尾随突厥人后面进行追击。
当薛延陀人被诱敌深入到了夏州城外时，突然鼓声震天，执失思力率领早已埋伏在夏州城外的4万余突厥骑兵如天兵天将般，从夏州城北门两侧杀出；阿史那社尔率领2万唐军从夏州城北门内杀出，薛延陀人被打了一个漂亮的伏击战，没抵抗一个时辰就大败，唐军斩杀5000多薛延陀人、俘虏1万多薛延陀人，多弥可汗吓得率败军慌乱逃走，唐军与突厥骑兵乘胜追击六百多里。
多弥可汗撤回薛延陀塞北王庭后，元气大伤！没多久，回纥部落首领吐迷度趁其衰弱，率军抄其后路、攻杀多弥可汗，占据了薛延陀汗国的地盘，建立了回纥汗国。薛延陀残余部队7万多人向西溃逃，他们共同拥立珍珠毗伽可汗的侄子咄摩支为伊特勿失可汗。
李道宗派人去劝降咄摩支，正当他犹豫不决时，李道宗率唐军追击到了，将薛延陀包围了，前后斩首5000人，俘虏3万余人，咄摩支只好投降，后被献俘长安，被李世民封为右武候将军。
上次东征高丽失败，李世民一直内心愤恨不已，就没有对出征有功将士给予奖赏，将士们也不敢提。这次出征薛延陀，李道宗率军班师回朝、献俘咄摩支后，李世民一改征高丽失败的阴霾，大喜过望！立即下诏命对这次出征将士进行了奖赏：
“任城王李道宗改封为江夏王，赐食邑加至2500户；
加封执失思力为安国公，赐从一品紫色官服、三梁冠、金玉带十三銙、金鱼袋、象笏；
加封阿史那设尔为毕国公，赐从一品紫色官服、三梁冠、金玉带十三銙、金鱼袋、象笏。
加封马周为中书令、兼吏部尚书，以接替岑文本职务，赐正二品紫色官服、三梁冠、金玉带十三銙、金鱼袋、象笏；
加封契苾何力为柱国，赐从二品紫色官服，三梁冠、金玉带十三銙、金鱼袋、象笏；
加封袁天纲为侍中、太子少詹事，以接替刘洎，参预政事，赐正三品紫色官服、三梁冠、金玉带十三銙、金鱼袋、象笏；
加封程名振为幽州都督，赐正三品紫色官服、三梁冠、金玉带十三銙、金鱼袋、象笏；
再次加封薛仁贵为右领军中郎将，赐正四品深绯官服，赐正二品紫色官服、二梁冠、金带十一銙、银鱼袋、象笏。负责守卫皇城玄武门；
李积作为征高丽大唐陆军主将，虽功勋卓着，但因征高丽未竟全功，功过相抵；
张亮作为征高丽大唐海军主将，虽攻克卑沙城而功勋卓着，但因征高丽未竟全功，功过相抵。”
袁天纲看到圣上又在加封自己的官职，于是上奏圣上再三请求辞掉侍中职务。但李世民心里清楚他因未能搭救刘洎而心里不舒服、耍性子，于是就不应允。”