貞觀十五年十一月，唐太宗命令營州都督張儉統所部從東進擊，朔州道行軍總管李勣率步兵六萬、精騎三千屯兵朔州，靈州道行軍總管李大亮率步兵四萬、精騎五千屯靈武，慶州道行軍總管張士貴率兵一萬七千出雲中，涼州道行軍總管李襲譽出武威，共計十餘萬兵迎擊薛延陀。
臨行前，太宗告誡各位將領說：“薛延陀自恃兵多，越過沙漠南下而來，經過數千裏的跋涉，人疲馬憊。用兵之道，有利就迅速出擊，不利就迅速撤退。薛延陀此次出兵，不能速戰，既然已越過長城，又不可能速退。我已令突厥燒剃秋草，使薛延陀找不到糧草。不久前，有偵探來報告說，薛延陀的戰馬啃食林木，樹皮都被吃光了。各位不要急著與他們交戰，隻待其糧草斷絕，將要退兵時，一齊出擊，必可製勝。”
當大度設的軍隊趕到長城時，突厥人已向南逃避。大度設無敵可打，便派人在長城上叫罵，恰好李勣趕到。李勣派敢死隊和精騎直衝大度設的軍隊，大度設估計硬戰不可能取勝，便渡過諾真水，布陣以待。
從前，薛延陀曾與沙缽羅及阿史那杜爾作戰，都是以步兵取勝，這次與突厥及李勣對壘，大度設仍沿用以前的辦法，舍棄戰馬不用，每五人為一伍，一人牽馬，四人在前麵作戰。
交戰時，突厥兵詐敗，延陀兵奮力追趕。李勣及時救援，李勣以步兵百人為一隊，避實就虛，延陀兵陣潰亂。李勣部將薛萬徹率輕騎衝入敵陣，將牽馬者一一俘虜。
延陀兵失去戰馬，不能逃跑。唐軍獲勝，斬殺數千人，獲馬一萬五千匹，大度設隻帶少數隨從逃奔漠北。當時正值漠北大雪，大度設部下饑餓凍死者達十分之七八。
經過這次戰役，薛延陀受到重創。在反擊薛延陀的鬥爭中，李勣立了大功。不久，李勣患重病，有偏方說用胡須灰可治愈，唐太宗便自剪胡須為李勣和藥。
李勣深受感動，頓首感謝，泣不成聲，唐太宗誠懇地說：“我之所以這樣做，是為了國家利益，不必深謝。”
戰爭結束，薛延陀在長安的使者請求返回，唐太宗對他說：“大度設自恃人多馬壯，越過大漠攻擊突厥。李勣僅帶領數千兵馬，就將大度設擊敗。返回後告訴你的可汗，凡事應考慮利害，擇善而行，不要輕舉妄動，以免自招禍端。”
夷男被唐軍擊敗後，薛延陀汗國內部的各種矛盾迅速激化，夷男的可汗地位岌岌可危。為了依靠唐朝威勢，樹立在國內的威信，夷男向唐朝派遣使臣謝罪，並獻馬三千匹，向唐朝求婚。
薛延陀的使者來到長安，請求與突厥講和，唐太宗對他說：“我約定你們與突厥以大漠為界，大漠以北，由薛延陀統轄；大漠以南，由突厥控製，有敢越界相掠者，誅殺不赦。延陀既然歸附我卻又違背我的詔令，這不是叛亂嗎？又提出與突厥講和，這本是以前約定的，還請示什麼？”唐太宗並不理會薛延陀使者提出的要求。
貞觀十五年十一月，唐太宗命令營州都督張儉統所部從東進擊，朔州道行軍總管李勣率步兵六萬、精騎三千屯兵朔州，靈州道行軍總管李大亮率步兵四萬、精騎五千屯靈武，慶州道行軍總管張士貴率兵一萬七千出雲中，涼州道行軍總管李襲譽出武威，共計十餘萬兵迎擊薛延陀。
臨行前，太宗告誡各位將領說：“薛延陀自恃兵多，越過沙漠南下而來，經過數千裏的跋涉，人疲馬憊。用兵之道，有利就迅速出擊，不利就迅速撤退。薛延陀此次出兵，不能速戰，既然已越過長城，又不可能速退。我已令突厥燒剃秋草，使薛延陀找不到糧草。不久前，有偵探來報告說，薛延陀的戰馬啃食林木，樹皮都被吃光了。各位不要急著與他們交戰，隻待其糧草斷絕，將要退兵時，一齊出擊，必可製勝。”