突厥颉利可汗率领六万残部逃到铁山，据险防守，总算喘了一口大气，听消息说自己的可敦义成公主被杀，其他嫔妃、公主及萧皇后、杨政道等都被俘，悲伤不已，又无所作为，只有日夜饮酒麻醉自己。
这时，听说执失思力也逃回铁山，于是就像抓了一个救命稻草一样，与其商议出路。执失思力劝其先向大唐诈降，手里还有六万军队本钱，只有等躲过这次兵灾，经过几年休养生息，重整旗鼓，卷土再来。
事不宜迟，颉利可汗派遣执失思力立即去长安向大唐投降。正月十八日，执失思力穿着朝服在太极殿门外西边站立，面向东方。鸿胪卿唐俭出殿门，面向执失思力问:“敢问请何事？”
执失思力回答:“奉制劳圣上，突厥汗国使者求觐见。”。
唐俭进殿禀告李世民，李世民说“准奏!”
殿中监宣“突厥汗国使者进殿。”唐俭出殿外迎执失思力进太极殿。
执失思力向李世民跪拜后，起身站在殿中北部方位递交投降书。殿中监将投降书递交给李世民。
李世民阅完投降书后，命中书舍人杨文瓘捧着圣上敕书走到执失思力，宣称“有敕书”。执失思力再跪拜后，起身站立接过圣上敕书。
李世民对执失思力厉声说：“你将敕书交给颉利可汗，告诉他数次与我结盟，而毫无信义多次背弃盟约，数次入侵我大唐，劫掠我大唐百姓，欺凌其内部弱小部落，逼迫突利可汗逃归大唐。朕这次派遣大唐军队，吊民伐罪，救两国百姓于水火。朕有好生之德，体恤突厥百姓遭遇天灾人祸，期盼消除兵灾，祈求和平。朕这次接受颉利可汗的求降，宽恕他的罪行，保存他的国家。”
执失思力再次跪拜陈谢。然后执失思力在唐俭的引导下出殿，他先在典客署安排的客馆等候暂且安顿。
李世民召唐俭，下诏命：“命鸿胪寺卿唐俭为大唐受降使，即日启程随执失思力前往突厥，与颉利可汗对接受降事宜。”
唐俭叩首接旨后，叫上执失思力，即刻启程离开长安，日夜兼程，于二月初八日上午赶到铁山颉利可汗的临时牙帐。
同时，李世民再下诏命：“命李靖率唐军停止攻击铁山，配合唐俭受降、迎接颉利可汗。”
二月初七夜酉时，白道。李靖已与李积等六路唐军会师在白道。李靖在唐军军营里接到了李世民派人送来的诏命，立即召集唐军众将领来中军大帐商议此事。
李积首先发言：“颉利可汗虽已战败逃窜到铁山，剩余的兵众还有数万人。颉利可汗外表语言谦卑，内心其实在诈降，想等到来年草青马肥，逃入漠北。等休养生息，恢复元气后卷土再来。此次放过颉利可汗，以后再想抓住他可就难了。”
李靖说:“颉利可汗虽然失败了，但是他的兵众还很多，若逃跑越过碛北，依靠突厥的基本盘九姓部落，道路阻塞并且遥远，追击他是很难赶上的。如今唐俭持诏书已到他那里受降，他们必定自行放松警觉，若挑选精骑一万去袭击他，不战而擒获颉利可汗。”
张公谨马上表示反对:“圣上下诏书已经允许颉利可汗投降，我们如果违犯君命，是要受到大唐律法严惩。况且唐俭已在他那里，如果我们去袭击突厥大营，唐俭的性命不保。”
李靖说:“当年汉高祖刘邦派郦食其劝降齐国，韩信出其不意灭掉齐国。今日我们也效仿韩信，出其不意灭掉突厥。唐俭的性命与灭掉突厥想比，他就死不足怜惜!”
张公谨提醒李靖，说：“如果这次奇袭铁山擒获了颉利可汗，即使损失一个唐俭，圣上也不会怪罪我们；如果擒获不到颉利可汗，破坏了受降颉利可汗的大局，违背了圣上的旨意，又损失了唐俭，圣上必然会严惩我们。”
就在众将领还在犹豫不决之时，李靖搬出来袁天纲，说：
“临行前，圣上交代，遇大事不决问袁天纲。请问袁先生，这次奇袭铁山，能否擒获颉利可汗？”
袁天纲望着大帐内众将领期盼地眼神，回忆起他在现代社会读新唐书中李靖铁山之战擒获颉利可汗的历史，为了坚定唐军将领的决心，他激励大家说：
“殷商末年，周武王讨伐商纣王，巫师占卜得出征不吉，且当日风雨交加，众人都惧怕、犹豫不决之时，姜太公厉声说：我们周军吊民伐罪，讨伐荒淫无道的商纣王，对于我周军是大吉，对于殷商军队则是大凶。力劝周武王出兵，结果灭掉殷商建立周朝。
天道轮回，今日我大唐军队也是吊民伐罪，讨伐淫无道的颉利可汗，对于我唐军是大吉，必定会擒获颉利可汗。”
听罢袁天纲的慷慨激昂地演说，唐军将领上下一心，纷纷要求亲自率兵奇袭铁山。李靖看火候已到，于是祭出李世民的御用佩刀，手举过头顶，众将领见状连忙跪拜。
李靖严肃地下军令：“本帅亲率一万精骑，即刻启程奇袭铁山；卫孝节、程咬金率一万兵力赶到大碛口设防，以防颉利可汗逃窜漠北；李道宗、张宝相在灵州西北部设防，以防颉利可汗逃窜吐谷浑；李积率领剩余主力大军随后出发，与本帅在铁山汇合。违令者，本帅用此佩刀先斩后奏。”
“诺！”众将听令，齐声呵道。
李靖率领一万精骑，人衔枚马裹蹄，冒着风雪直奔铁山，路上遇到突厥的斥候及小股部队，为了不走漏风声，李靖命令全部斩杀灭口，并命令加快速度行军。经过一整夜的长途奔袭，终于于二月初八上午辰时，唐军赶到铁山在离突厥颉利可汗牙帐七里处。
李靖手举唐横刀，临阵动员：“大唐的将士们，突厥颉利可汗就在前方，诸位建功立业的机会就在眼前，抓住颉利可汗者封侯！苏定方，你率二百精骑做先锋，斩将搴旗，务必擒获颉利可汗。”
苏定方一听说李靖要把天下的最大奖牌递到自己面前，立即浑身血液沸腾，厉声高喊：“遵命！”
于是，苏定方骑马跑在在第一位，紧随其后的是二百精骑，万余精骑殿后，乘着浓雾，万马奔腾地杀向颉利可汗的牙帐。
此时，突厥颉利可汗正在铁山临时牙帐接见大唐使者唐俭，双方正在商议受降的具体细节。突然有突厥人在大帐外大喊道：“唐军杀来了，唐军杀来了。”颉利可汗没顾上唐俭一行使者，急忙跑到帐外，他看到一幅恐怖的景象：在浓雾中，一万唐精骑，像一大群杀神，狂叫着杀进突厥大营。
颉利可汗心念着：“长生天呀，这是恶魔降临了吗？”于是，颉利可汗本能地骑上自己的汗血宝马逃跑。
突厥人找不到可汗，军中无主，就像一群无头苍蝇一样四处溃散。唐俭一行使者也被突如其来的唐军劫营而震惊，趁着突厥大营一片混乱，心里诅咒着李靖不地道，急忙脱身而出。唐俭等使者也趁乱逃出突厥大营。
此铁山战役，唐军共斩首万余级,俘获男女十余万人，擒获颉李可汗与隋朝义成公主的儿子叠罗施及唐奸赵德言。李靖怒斥赵德言是当今之赵高，当场斩杀。
颉利可汗率领仅剩的一万多人想越过沙漠，正好掉进张公谨在大碛口的陷阱里，无法逃脱，突厥残部只好纷纷向唐军投降。颉利可汗仅带着数骑逃出包围圈，一路向灵州西北方向逃窜，去投奔自己的叔叔阿史那苏尼失，想喘口气再往西逃投奔吐谷浑。
这时，大同道行军总管、任城王李道宗的追兵到了，包围住阿史那苏尼失的部落，逼迫苏尼失交出颉利可汗。颉利可汗带着欲谷设等数骑连夜逃跑，藏匿在荒谷中。阿史那苏尼失惧怕唐军，连夜派兵在荒谷中搜获了颉利可汗，仅欲谷设一人逃跑了。大同道行军行军副总管张宝相率军闯入阿史那苏尼失的部落营地，擒获颉利可汗，阿史那苏尼失也率部落投降。