兵屯於夏州之北，嚴陣以待，同時又遣田仁會與思力合兵。由於軍事部署得當，一戰即大敗薛延陀，追躡六百餘里。
貞觀二十年（646年），回到長安的太宗，再次派遣江夏王李道宗、左衛大將軍阿史那社爾為瀚海安撫大使，遣右領衛大將軍執失思力將突厥兵，右驍衛大將軍契苾何力將涼州及胡兵，代州都督薛萬徹、營州都督張儉各將所部兵，分道並進，大舉進攻薛延陀。
太宗又遣校尉宇文法詣烏羅護、靺鞨，引其為以援，幾面夾攻，薛延陀國中驚擾，驚呼：“唐兵至矣！”諸部大亂。多彌引數千騎奔阿史德時健部落，被回紇攻而殺之。諸部群龍無首，亂作一團，爭相遣使歸命。
太宗又遣李祐前去安撫，囑道：“降則撫之，叛則討之。”
李祐督兵至鬱督軍山後擊咄摩支，咄摩支無奈歸降，來到長安，被授為右武衛大將軍，由是北荒悉平。六月已丑日，太宗欲親往北方安撫諸部，手詔曰：
薛延陀破滅，其敕勒諸部，或來降附，或未歸附，今不乘機，恐貽後悔，朕當自詣靈州招撫。其去歲徵遼東兵，皆不調發。
太宗將行幸靈州，想帶著太子從行，少詹事張行成上疏言：“皇太子從幸靈州，不若使之監國，接對百僚，明習庶政，既為京師重鎮，且示四方盛德。宜割私愛，俯從公道。”
太宗以張行成忠心事主，進其為銀青光祿大夫。八月，太宗來到漢朝故甘泉宮，時鐵勒十一姓各遣使入貢，太宗大喜，設宴招待各族使者，以璽書賜其酋長，頒賞官職，並詔曰天下： 夷狄與天地俱生，上皇並列，流殃構禍，乃自運初。朕命偏師，遂擒頡利，始宏廟略，已滅延陀，鐵勒百餘萬戶，散處北溟，遠遣使人，委身內屬，請同編列，併為州郡。混元以降，殊未前聞。宜備禮告廟，仍頒示普天。
同年秋，車駕至靈州，逾隴山，至西瓦亭，遠望茫茫草原，萬馬齊牧，太宗心情極為舒暢，時鐵勒諸部俟斤遣使數千人詣靈州，紛紛奏道：
“願得天至尊為奴等天可汗，子子孫孫常為天至尊奴，死無所恨。”太宗聞奏，哈哈大笑，賦詩一首，命勒石於靈州記事。其詩曰：雪恥酬百王，除兇報千古。昔乘匹馬去，今驅萬乘來。近日毛雖暖，聞弦心已驚。
冬十月，車駕還京師。詔以加紇部為瀚海府，僕骨為金微府，多濫葛為燕然府，拔野古為幽陵府，同羅為龜林府，思結為盧山府，吐谷渾為皋蘭州，斛薛為高闕州，奚結為雞鹿州，阿跌為雞田州，契芯為榆溪州，思結別部為蹛林州，白窸xi為置顏州，各以其酋長為都督、刺史，各賜金銀繒帛及錦袍。
鐵勒各部得賞大喜，捧著官服歡呼禮拜，且奏道：
“臣等既為唐民，往來天至尊所，如詣父母，請於回紇以南、突厥以北開一道，謂之‘參天可汗道’。”
太宗依允，乃於途置六十八驛，各有馬及酒肉以供過使，同時派能文的漢人代各酋長寫典疏表，以加強中央與各部的往來。不久，太宗又置燕然都護府，統領瀚海六都督、皋蘭等七州，調任才能卓著的揚州都督府司馬李素立為都護。李素立以恩信安撫鐵勒人，各部感其德，牽牛馬以獻，李素立惟受其酒一杯，其餘全部退還。
時鐵勒北部骨利，也遣使入貢，西域結骨部酋長也萬里迢迢來到京師，請天可汗授給一官，詔為堅昆都督。
每當節日朝會時，夷落往往數百上千人，服色各異，語言參差，俱都入殿趨蹌，山呼萬歲，大唐王朝進入了一個全盛的時期。
太宗一路北巡，風寒勞累，水土不服，回到長安後，又鬧起病來，從前箭傷處隱隱作疼，時時洩肚子。為了好好保養身體，太宗傳旨，一切軍國機務並委皇太子處決。
太醫進了多次藥，太宗吃了總覺不大管事，他見尉遲敬德年齡比自己大，同在沙場上衝殺了半輩子，老了以後精神頭卻比自己好，於是召來尉遲敬德問他養生的法子。尉遲敬德自從致仕回家，不問政事以後，對一切事情也漸漸看開了，答道：
“與世無爭的人才能長壽，臣操心的事少了，自然身體輕健。”太宗知道自己不可能與世無爭，便又問道：
“聽說你在家煉丹藥，吃丹藥有效嗎？”尉遲敬德老老實實地答道：
“臣是煉丹藥，也吃了一些，但有效沒效還不敢斷定，聖上萬金之軀，臣不敢妄言。”
太宗有些不相信尉遲敬德的話，有效沒效先煉些吃吃再說。太宗吃丹藥的心一起，乃遣人把國內一些有名的煉丹之人召進皇宮，在御苑中安下丹爐，點火煉丹。