贞观二十年初（646年），太宗见拔灼屡犯不止，决心彻底解决薛延陀之患。
他下令构建九道防线，动员北方诸州兵力，形成纵深防御体系：
江夏王李道宗（礼部尚书） 领 朔、并、汾、箕、岚、代、忻、蔚、云九州 ， 统筹北方防务，屏障太原 。
薛万彻（右卫大将军、代州都督） 领胜、夏、银、绥、丹、延、鄜、坊、石、隰十州， 控扼黄河渡口，阻断薛延陀南下通道。
阿史那社尔（左骁卫大将军），协同薛万彻部 ，以突厥骑兵对抗薛延陀骑兵。
宋君明（胜州都督），领本部兵马，护卫河西走廊入口 。
薛孤吴（左武候将军）， 领灵、原、宁、盐、庆五州 ，与宋君明互为犄角 。
执失思力，突厥降兵，领夏州正面阻击薛延陀主力。
田仁会，协同执失思力，在夏州配合伏击、追击。
此部署层次分明、互为呼应：朔州为总枢纽，胜州、夏州为前沿，灵州为侧翼。无论拔灼从哪个方向进攻，都将遭遇唐军顽强阻击；一旦进攻受挫，唐军即可从多路包抄，断其归路。
拔灼率部南下，进抵长城，遥望唐军营垒连绵、旌旗蔽日，方知太宗早有准备。他踌躇再三，不敢贸然进攻，连忙撤退北归。
"唐太宗用兵如神，吾不及也。"拔灼仰天长叹，第一次感到绝望。
646年春天，执失思力与夏州都督乔师望乘胜追击，大败拔灼于漠南。拔灼仓皇北逃，薛延陀陷入全面混乱。
拔灼之败，非惟兵势不敌，更在众叛亲离。
他继位以来，易怒多疑，对父王夷男留下的旧臣宿将，一概不用，皆以自己的亲信取而代之。这些新贵多是拔灼乳臭未干的玩伴，无才无德，却居高位，引得贵族阶层强烈不满。
拔灼的回应，是血腥镇压。他罗织罪名，大批诛杀旧臣贵族，牙帐之内，血流成河。诸部酋长人人自危，离心离德。
回纥，铁勒诸部之首，率先发难。其首领药罗葛吐迷度，联合仆骨部、同罗部，公开反叛拔灼。三部联军，骑兵数万，从薛延陀侧背发起猛攻。
贞观二十年正月初八，太宗见时机成熟，命乔师望、执失思力正式出师北伐。唐军与回纥等部南北夹击，薛延陀军大败，俘虏二千余人。多弥可汗乘轻骑北逃，狼狈如丧家之犬。
此时的多弥可汗，已陷入彻底的疯狂。他生性暴躁，对臣下猜忌日深，少施恩惠，专任宠信，部众皆不服。其父所用贵臣，多被杀害；旧日功臣，纷纷逃亡。薛延陀内部，骚乱四起，再无宁日。
回纥、仆骨、同罗联军乘胜追击，连破薛延陀数部。多弥可汗众叛亲离，手下亲兵亦纷纷散去。
贞观二十年六月十五日，太宗见击灭薛延陀时机已到，下达总攻令：
"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——分兵数路，齐头并进，进攻薛延陀！"
此令一出，大唐北疆倾国之兵尽数出动。李道宗、阿史那社尔率主力从朔州北上，直捣薛延陀腹地；执失思力、契苾何力率骑兵从侧翼包抄，截断敌军退路；薛万彻、张俭率偏师出营州，牵制东部敌军。
一场规模空前的北伐，正式展开。
恰在此时，一桩意外加速了薛延陀的崩溃——
唐校尉宇文法，原奉命出使乌罗护、靺鞨诸部，返回途中，于漠北偶遇薛延陀阿波设（部落首领）所部。宇文法手下仅有少量随从，却当机立断，率靺鞨部众发起突袭。
阿波设猝不及防，大败而逃。宇文法乘胜追击，斩获颇丰。
此役虽小，影响却大。薛延陀人误以为唐朝主力已至漠北，恐慌情绪如瘟疫般蔓延。诸部纷纷弃拔灼而去，或降唐，或投回纥。
拔灼在恐慌中，逃往阿史德部落，欲借其地暂避。然而，回纥闻讯，追击而至。吐迷度亲率铁骑，袭杀拔灼，并屠戮所能找到的薛延陀王族成员。
多弥可汗，这位弑兄篡位、屡犯大唐的枭雄，终死于乱刀之下，尸骨无存。其宗族被屠戮殆尽，薛延陀王族血脉，几近断绝。
薛延陀虽败，余烬未熄。
诸部残众七万余口，西逃至郁督军山（今蒙古国杭爱山东支）北麓，拥立夷男侄子咄摩支为伊特勿失可汗，妄图恢复薛延陀。
咄摩支遣使上书朝廷，请求在郁督军山保聚驻牧，言辞谦卑，称愿归附大唐。
太宗冷笑："薛延陀反复无常，岂可信其空言？"
他派李积与兵部尚书崔敦礼前往安抚，同时密授李积八字方针："降则抚之，叛则讨之。"
李积率军至郁督军山，咄摩支部众酋长梯真达官率众来降，表面恭顺，却暗中图谋再起。李积识破其计，不动声色，假意受降，待其松懈，突然纵兵讨击。
唐军铁骑如潮，冲入薛延陀营地。薛延陀残众猝不及防，斩杀五千余人，俘获男女三万余口。咄摩支伊特勿失可汗被生擒，押送长安。
与此同时，李道宗率兵渡过沙漠，遭遇薛延陀达官阿波率数万人抵抗。李道宗奋勇冲杀，大破之，斩首千余级，乘胜追击二百里，彻底肃清漠南残敌。
薛延陀既灭，漠北震动。
回纥、拔野古、同罗、仆骨、多滥葛、思结、阿跌、契苾、跌结、浑、斛薛等铁勒十一部酋长，相继前来长安，请求归附唐朝。
他们跪拜于太极殿下，言辞恳切：
> "愿置唐官，同为编户，并设州郡。"
这是前所未有的臣服——非仅称臣纳贡，而是请求直接纳入唐朝行政体系，成为大唐子民。
太宗欣然允准，于漠北设立六府七州，以铁勒诸部首领为都督、刺史，推行羁縻统治。又设燕然都护府（后改安北都护府），统辖漠北诸部，大唐疆域，北抵大漠，史无前例。
回纥首领吐迷度，因助唐灭薛延陀之功，受封瀚海都督，成为漠北最有权势的部落首领。他感激涕零，称太宗为"天可汗"——此称号自此成为大唐皇帝的尊号，象征中原与草原共主的至高权威。
薛延陀的覆灭，标志着唐朝彻底解决了北方边患。
自此后数十年，漠北草原再无强大政权崛起威胁中原，北部边境得以长治久安。直到高宗末年，突厥复兴，方才再起波澜。
回顾太宗与薛延陀的博弈，其战略智慧令人叹服：
其一，威慑为先。洛阳殿上斥退夷男使者，以心理震慑瓦解敌方意志，不战而屈人之兵。
其二，预判精准。东征高丽之前，即预料薛延陀必趁机入侵，提前部署执失思力守夏州，以逸待劳。
其三，借力打力。利用薛延陀内部矛盾，挑动回纥、仆骨等部反叛，以草原诸部之力，消灭草原霸主。
其四，斩草除根。对咄摩支残部，假意安抚，实则歼灭，杜绝后患。
其五，恩威并施。灭薛延陀后，以羁縻府州安置铁勒诸部，既示恩德，又行控制，使漠北成为大唐藩篱。
从夷男的忧愤而亡，到拔灼的众叛亲离；从夏州的伏击陷阱，到郁督军山的雷霆一击——太宗以十一年时间，步步为营，最终将薛延陀这个漠北强权，彻底抹去。
天可汗的威严，不仅在于武功之盛，更在于算无遗策之智。当李积押送咄摩支凯旋长安，太宗登上凌烟阁，北望大漠，或许会在心中默念："朕之北疆，自此安矣。"
然而，英雄暮年，壮志未已。此时的太宗，身体已大不如前。两年后，他驾崩于终南山翠微宫，享年五十二岁。他未能亲眼见到高丽平定的那一天，亦未能见到武周代唐的剧变。但他所奠定的北疆格局，却延续了大唐百年的荣光。
薛延陀的覆灭，是天可汗体系的巅峰，亦是贞观盛世的最后华章。
