突厥頡利可汗率領六萬殘部逃到鐵山，據險防守，總算喘了一口大氣，聽訊息說自已的可敦義成公主被殺，其他嬪妃、公主及蕭皇后、楊政道等都被俘，悲傷不已，又無所作為，只有日夜飲酒麻醉自已。
這時，聽說執失思力也逃回鐵山，於是就像抓了一個救命稻草一樣，與其商議出路。執失思力勸其先向大唐詐降，手裡還有六萬軍隊本錢，只有等躲過這次兵災，經過幾年休養生息，重整旗鼓，捲土再來。
事不宜遲，頡利可汗派遣執失思力立即去長安向大唐投降。正月十八日，執失思力穿著朝服在太極殿門外西邊站立，面向東方。鴻臚卿唐儉出殿門，面向執失思力問:“敢問請何事？”
執失思力回答:“奉制勞聖上，突厥汗國使者求覲見。”。
唐儉進殿稟告李世民，李世民說“准奏!”
殿中監宣“突厥汗國使者進殿。” 唐儉出殿外迎執失思力進太極殿。
執失思力向李世民跪拜後，起身站在殿中北部方位遞交投降書。殿中監將投降書遞交給李世民。
李世民閱完投降書後，命中書舍人楊文瓘捧著聖上敕書走到執失思力，宣稱“有敕書”。 執失思力再跪拜後，起身站立接過聖上敕書。
李世民對執失思力厲聲說：“你將敕書交給頡利可汗，告訴他數次與我結盟，而毫無信義多次背棄盟約，數次入侵我大唐，劫掠我大唐百姓，欺凌其內部弱小部落，逼迫突利可汗逃歸大唐。朕這次派遣大唐軍隊，弔民伐罪，救兩國百姓於水火。朕有好生之德，體恤突厥百姓遭遇天災人禍，期盼消除兵災，祈求和平。朕這次接受頡利可汗的求降，寬恕他的罪行，儲存他的國家。”
執失思力再次跪拜陳謝。然後執失思力在唐儉的引導下出殿，他先在典客署安排的客館等候暫且安頓。
李世民召唐儉，下詔命：“命鴻臚寺卿唐儉為大唐受降使，即日啟程隨執失思力前往突厥，與頡利可汗對接受降事宜。”
唐儉叩首接旨後，叫上執失思力，即刻啟程離開長安，日夜兼程，於二月初八日上午趕到鐵山頡利可汗的臨時牙帳。
同時，李世民再下詔命：“命李靖率唐軍停止攻擊鐵山，配合唐儉受降、迎接頡利可汗。”
二月初七夜酉時，白道。李靖已與李勣等六路唐軍會師在白道。李靖在唐軍軍營裡接到了李世民派人送來的詔命，立即召集唐軍眾將領來中軍大帳商議此事。
李勣首先發言：“頡利可汗雖已戰敗逃竄到鐵山，剩餘的兵眾還有數萬人。頡利可汗外表語言謙卑，內心其實在詐降，想等到來年草青馬肥，逃入漠北。等休養生息，恢復元氣後捲土再來。此次放過頡利可汗，以後再想抓住他可就難了。”
李靖說:“頡利可汗雖然失敗了，但是他的兵眾還很多，若逃跑越過磧北，依靠突厥的基本盤九姓部落，道路阻塞並且遙遠，追擊他是很難趕上的。如今唐儉持詔書已到他那裡受降，他們必定自行放鬆警覺，若挑選精騎一萬去襲擊他，不戰而擒獲頡利可汗。”
張公謹馬上表示反對:“聖上下詔書已經允許頡利可汗投降，我們如果違犯君命，是要受到大唐律法嚴懲。況且唐儉已在他那裡，如果我們去襲擊突厥大營，唐儉的性命不保。”
李靖說:“當年漢高祖劉邦派酈食其勸降齊國，韓信出其不意滅掉齊國。今日我們也效仿韓信，出其不意滅掉突厥。唐儉的性命與滅掉突厥想比，他就死不足憐惜!”
張公謹提醒李靖，說：“如果這次奇襲鐵山擒獲了頡利可汗，即使損失一個唐儉，聖上也不會怪罪我們；如果擒獲不到頡利可汗，破壞了受降頡利可汗的大局，違背了聖上的旨意，又損失了唐儉，聖上必然會嚴懲我們。”
就在眾將領還在猶豫不決之時，李靖搬出來袁天綱，說：
“臨行前，聖上交代，遇大事不決問袁天綱。請問袁先生，這次奇襲鐵山，能否擒獲頡利可汗？”
袁天綱望著大帳內眾將領期盼地眼神，回憶起他在現代社會讀新唐書中李靖鐵山之戰擒獲頡利可汗的歷史，為了堅定唐軍將領的決心，他激勵大家說：
“殷商末年，周武王討伐商紂王，巫師占卜得出徵不吉，且當日風雨交加，眾人都懼怕、猶豫不決之時，姜太公厲聲說：我們周軍弔民伐罪，討伐荒淫無道的商紂王，對於我周軍是大吉，對於殷商軍隊則是大凶。力勸周武王出兵，結果滅掉殷商建立周朝。
天道輪迴，今日我大唐軍隊也是弔民伐罪，討伐淫無道的頡利可汗，對於我唐軍是大吉，必定會擒獲頡利可汗。”
聽罷袁天綱的慷慨激昂地演說，唐軍將領上下一心，紛紛要求親自率兵奇襲鐵山。李靖看火候已到，於是祭出李世民的御用佩刀，手舉過頭頂，眾將領見狀連忙跪拜。
李靖嚴肅地下軍令：“本帥親率一萬精騎，即刻啟程奇襲鐵山；衛孝節、程咬金率一萬兵力趕到大磧口設防，以防頡利可汗逃竄漠北；李道宗、張寶相在靈州西北部設防，以防頡利可汗逃竄吐谷渾；李勣率領剩餘主力大軍隨後出發，與本帥在鐵山匯合。違令者，本帥用此佩刀先斬後奏。”
“諾！”眾將聽令，齊聲呵道。
李靖率領一萬精騎，人銜枚馬裹蹄，冒著風雪直奔鐵山，路上遇到突厥的斥候及小股部隊，為了不走漏風聲，李靖命令全部斬殺滅口，並命令加快速度行軍。經過一整夜的長途奔襲，終於於二月初八上午辰時，唐軍趕到鐵山在離突厥頡利可汗牙帳七里處。
李靖手舉唐橫刀，臨陣動員：“大唐的將士們，突厥頡利可汗就在前方，諸位建功立業的機會就在眼前，抓住頡利可汗者封侯！蘇定方，你率二百精騎做先鋒，斬將搴旗，務必擒獲頡利可汗。”
蘇定方一聽說李靖要把天下的最大獎牌遞到自已面前，立即渾身血液沸騰，厲聲高喊：“遵命！”
於是，蘇定方騎馬跑在在第一位，緊隨其後的是二百精騎，萬餘精騎殿後，乘著濃霧，萬馬奔騰地殺向頡利可汗的牙帳。
此時，突厥頡利可汗正在鐵山臨時牙帳接見大唐使者唐儉，雙方正在商議受降的具體細節。突然有突厥人在大帳外大喊道：“唐軍殺來了，唐軍殺來了。” 頡利可汗沒顧上唐儉一行使者，急忙跑到帳外，他看到一幅恐怖的景象：在濃霧中，一萬唐精騎，像一大群殺神，狂叫著殺進突厥大營。
頡利可汗心念著：“長生天呀，這是惡魔降臨了嗎？” 於是，頡利可汗本能地騎上自已的汗血寶馬逃跑。
突厥人找不到可汗，軍中無主，就像一群無頭蒼蠅一樣四處潰散。唐儉一行使者也被突如其來的唐軍劫營而震驚，趁著突厥大營一片混亂，心裡詛咒著李靖不地道，急忙脫身而出。唐儉等使者也趁亂逃出突厥大營。
此鐵山戰役，唐軍共斬首萬餘級,俘獲男女十餘萬人，擒獲頡李可汗與隋朝義成公主的兒子疊羅施及唐奸趙德言。李靖怒斥趙德言是當今之趙高，當場斬殺。
頡利可汗率領僅剩的一萬多人想越過沙漠，正好掉進張公謹在大磧口的陷阱裡，無法逃脫，突厥殘部只好紛紛向唐軍投降。頡利可汗僅帶著數騎逃出包圍圈，一路向靈州西北方向逃竄，去投奔自已的叔叔阿史那蘇尼失，想喘口氣再往西逃投奔吐谷渾。
這時，大同道行軍總管、任城王李道宗的追兵到了，包圍住阿史那蘇尼失的部落，逼迫蘇尼失交出頡利可汗。頡利可汗帶著數騎連夜逃跑，藏匿在荒谷中。阿史那蘇尼失懼怕唐軍，連夜派兵在荒谷中搜獲頡利可汗。大同道行軍行軍副總管張寶相率軍闖入阿史那蘇尼失的部落營地，擒獲頡利可汗，阿史那蘇尼失也率部落投降。