早在一年前李靖就下令各都督府增加战马，充实骑兵，演练长途奔袭，战法早就操演成熟。这次交战之前，他把大唐最为精锐的五千玄甲军布置在朔州，离云州有一千里，又把最熟悉长途奔袭的苏定方调到幽州，指挥幽州骑兵，这两支唐军比突厥骑兵更加精练，行军速度更快，能以每天五百里的速度连续进攻五天。赶到云州城南的唐军则几乎全是步军，也就是徒兵，全由禁军组成，一个月前从长安出发，只带弓弩和轻兵器，化装成乡兵和老百姓，分散开来，宵行昼宿，在候君集离开后悄悄集结到代州，严格封锁消息，突厥人只关注战马，竟然没有察觉到有大量步军靠近。
关键的节点在云州城内，李靖早就设计好要把云州城送给颉利，提前在城内为颉利布下坟场，这一步的关键人物是独孤士极，李靖原来把代州也计算在战场之中，提前让士极以督查军务为名查检代州城，后来因为他判断颉利只盯着云州，极可能在获得财物后放弃攻打代州而没有实施。他把候君集调开，换独孤士极驻守云州，士极到云州后，立刻把康续接了过来，他二人都是建造高手，指挥着幽州军以建造军营为名，在民房集中的地方和主要府库下面挖掘了纵横交错的火道，里面充塞着油脂和易起烟的湿草，梁洛仁以为唐军是潜入城中纵火，其实引火口修在城外，只要外面一点火，立刻引燃火道里的油草，形成数百个火点和数十道火墙，烟火会将全城死死罩住，里面的人逃无可逃。为了这把火，李靖把河东道百姓家里炒菜的油都搜罗光了，汾南县令三个月都没有见过油腥。
战事进展几乎都在李靖预料之中。颉利一直盯着云州，寻找战机，他故意露出破绽，想引诱候君集袭击五花水，李靖哪能看不出个中因由，将计就计把候君集派了出去，颉利果然趁机来攻云州，李靖立刻命令启动战役布置，首先命令大将李勣带两万多骑兵插到草原上，在碛口堵住突厥北窜的路，命令从南方来的步军堵在云州之南，而幽州军和朔方军、胜州军则赶来围歼云州城下的突厥骑兵，阻击救援的突厥人。颉利中计之后，李靖没有派出一兵一卒去救援候君集，而是把能用的兵力全部集结向云州，务必要歼灭突厥主力，他本以为城下会有激烈的包围与反包围，救援与反救援的战斗，没想到颉利被苏定方的虚张声势吓破了胆，只在城外留下少量兵力，自己躲进了围城，更没想到只有区区数千骑兵赶来解救颉利。
颉利被困云州，当时突厥在漠南还有五六万精兵，十多万能战的部民，几十个别部部落，他连发了数道命令要求救援，没想到只来了区区数千附离。压玉果接到被任命为叶护的谕令，并没把本部骑兵交给南厢察婆毕，也没来救援云州，而是率兵急急赶到牙帐，杀了胡女和父亲另外的宠妾，搜罗了财物，带着自己的母亲可敦，裹挟着一大帮突厥勋贵往北跑，如果不是在碛口被李勣截住，他就溜回漠北继位大可汗了。婆毕不知颉利已死，带着四千附离急急赶到云州城下，拼命向里冲，他孤军一支，城里没人接应，与苏定方的幽州骑兵狠斗了一场，附离被打散，婆毕不知所终。漠南草原上当时还有大大小小数十个突厥部落，二十多万人，听到颉利被困的消息，竟然全都拼命向北跑，无一部南来救援。
云州一把火，烧死了颉利和四万多突厥骑兵精锐，梁洛仁的一万梁军、柘羯和数万云州百姓陪死，候君集打破云州后残存的七八万百姓，除了一万多人被突厥掳走，其余都葬身城中。在漠南的突厥所部被唐军包抄掩杀，死了近十万，降了七八万，其余的溃散后逃入大漠，自此漠南再无突厥势力，而大唐只损失了一万代州军，可说是大获全胜。
秦朝蒙恬以三十万精兵击走三万匈奴人，又发百万民夫修筑长城，十年后城倒人亡，匈奴南下，围汉高祖刘邦于白登；汉代漠北之战，卫青以五万对五万击溃匈奴，但汉军死伤近四万，十四万匹战马损失殆尽，匈奴主力远逃到极北，之后一直逞狂二百年；到了西晋，匈奴部更攻下长安，直接把中原王朝给灭了。而李靖仅仅用时一年，就消灭突厥主力，击毙突厥大可汗，肃清漠南，经过此战，大唐自李渊太原起兵以来二十年称臣纳贡的耻辱一雪而尽，中原自北魏分裂后向突厥称臣纳贡的百年历史也告终结，李靖之功已经超越前人，包括秦之蒙恬、汉之卫青、霍去病。
