前有劲敌，后有追兵，没奈何，颉利只得拨头向西逃窜，末路穷途的他准备往投吐谷浑，暂求一个安身之地。
碛口也是颉利的主要据点之一，储藏着许多突厥人抢来的财宝、牛羊皮、粮草等。颉利西逃后，碛口不攻自破，辛苦多日的唐兵长驱直入，大街小巷人喊马嘶，颉利的行宫更是被翻腾的不成样子，许多重要的珍宝文书均不翼而飞。主帅李靖对此也未多阻止，直到第二天上午他才命令各军归队，原地休整。
这么快袭破颉利，简直让人难以相信。但李靖确实善于出奇兵，同时在其他战场上，唐军也发动着大小不同的进攻，以配合主帅李靖。除李勣出通漠道以外，灵州大都督任城王李道宗出大同道，左武卫大将军柴绍出金河道，豳州都督王孝节出恒安道，营州都督薛万淑出畅武道，十余万人马，几路并进，江河日下的颉利不败才怪呢。
其中任城王道宗也很战果辉煌，战灵州，俘人畜万计，郁射设、荫奈特勒等部首领慑于威势，率所部来降。捷书传至长安，太宗激动地对群臣说：“往国家初定，太上皇以百姓故，奉突厥诡而臣之，朕常痛心疾首，思一刷耻于天下，今天我诸将，所向辄克，朕岂遂有成功乎！”
且说任城王李道宗接到李靖的通报，言颉利正向西逃窜。任城王不敢怠慢，在通往西方的路上层层设卡，堵截颉利。颉利被逼得无奈，只好白天躲藏，夜里赶路。这天白天，颉利躲在一个荒谷中，饿极了，打了几个野兔子，正和几个亲信一块架火烧着吃，不想冒出的柴烟恰巧让巡逻的行军副总管张宝相看见了。宝相寻烟雾摸过来，见荒谷中几个人和坐骑扮相不俗，遂挥兵包抄，将颉利生擒活捉。
颉利的被捉宣告东突厥的灭亡，太宗大喜过望，下令将突厥可汗颉利即刻解来京师。
贞观四年（６３０年）三月，太宗在长安举行了隆重的献俘仪式。作为阶下囚的颉利，被人牵着，到李唐太庙转了一圈，三叩六拜，表示归顺和忏悔，此所谓告俘太庙。而后，颉利又被牵着，来到顺天楼。
顺天楼上，设有御座，太宗一身大礼服，端坐其上。两边站立着长孙无忌等授有爵位的重臣，不远处侍立着身材魁梧的御前侍卫。顺天门外的广场上，更是旌旗飘扬，人山人海。太宗传旨：士民纵观，因而广场外围全都站着看热闹的老百姓；往里，排列着数千名从前线归来的战士，更是一身戎装，挺胸昂首，气概非凡；再往里，是在京的大大小小的文武官员。
巳时整，在无数目光的注视下，颉利等千余名有官爵的突厥俘虏被兵士们带进广场。所有俘虏均戴着镣铐，一块开圆孔的红布穿过头颅，遮胸盖背，一步一挪，到达指定的位置后，被吆喝着对着顺天门跪下。一个胖大的太监阔步来到顺天门口，扬起一个特制的鞭子，“唰唰唰”来个净鞭三响，声闻广场。广场上喧闹的声音渐渐沉寂了下来。
净鞭的太监退下，刑部尚书趋步上前，站在门前一个临时搭起的台子上，手拿一张判决书，高声朗读各个俘虏触犯天地，危害人类的罪行，并当场宣布这些罪人法无可逆，请皇上诏准依律押赴市曹斩首示众。
要把这上千突厥俘虏全部杀了，观众人群中一阵喧哗，那些突厥俘虏更是露出绝望的神色，眼巴巴地望着顺天门上的太宗，期望太宗发纶音，启金口，开恩不杀。
“传颉利入见——”顺天楼上传来联次传喝声。
紧接着，过来几个人高马大的虎贲羽林军，抓起颉利就走，连拖带提，入了顺天门。
进了顺天门，别有一番洞天，甬道两旁，红地毯铺地，上面摆满了文物，什么错金铜镬鼎、铜编钟、战国珑、铜鼓、玉樽、金兽、金虎纹圆屏，个个光辉四射，耀人眼目。这是太宗有意向颉利展示大汉族的文明。羽林军士牵着颉利让他缓步而行，仔细观看。颉利也是被晃得眼花缭乱，只顾鸡啄米似的乱点头。
看了一圈文物后，颉利被牵上城楼。人群自动给他闪开一条路，颉利本认识太宗，径直上前，俯伏请罪，咦哩啊拉说了一大通。太宗也听不懂，未待译官翻译，即朗声诘责道：
“尔罪有五：尔父国破，赖隋以安，不以一镞力助之，使其庙社不血食，一也；与我邻而弃信扰边，二也；恃兵好战，使白骨蔽野，罪三也；蹂我稼穑，掠我子女，罪四一也；我宽宥汝罪，存汝邦国，汝迁延不来，其罪五。朕杀尔非无名，顾渭上盟未之忘，故不穷责也。”
译官俯下身子，逐字逐句把太宗的话翻译给颉利听。颉利一听说太宗顾念渭上之盟，不杀他，感动得且泣且谢。太宗也不愿和颉利多说一些，叫来太仆卿吩咐道：
“把颉利引去你们太仆寺住，好生管待，给好廪食。”
太仆卿连连答应，这时已有人给颉利除去脚镣手铐，颉利活动活动手脚，向太宗行个礼，转身跟着太仆卿去了。
献俘仪式结束了，太宗颁下诏令，将西起阴山，北至大漠的广阔地带亦收入大唐版图。
顺天门举行隆重的献俘仪式，住在大安宫的太上皇李渊也悲喜交集，他站在殿前廊下，倾听着来自顺天门方向的欢呼声，不知不觉流下了热泪，他仰天叹道：
“汉高祖白登被围，耻未得雪，仇不得报，今我子擒颉利，灭突厥，我付托得人，复有何优！”