李世民临行之时，已经考虑到薛延陀可能会兵犯边境，遂让薛万彻、薛万均兄弟领兵屯于夏州，以备薛延陀。多弥可汗引兵到了朔方，薛万均引兵对阵，双方一交手，唐军不敌立刻败下阵来，其且退且走，多弥可汗大喜，挥兵深入追击。如此进入了夏州之境，多弥可汗忽见两厢出现了大量唐兵，领头之人为薛万彻，方悟中了唐军的诱兵之计，急忙号令回军，薛延陀兵大败，向后狂奔六百余里。
多弥可汗遭此大败，心有不甘，欺大唐东征之军未还，又整兵前来寇边。李世民在班师的路上闻听此讯，其尚在病中，大怒道：“狂悖小子，难道欺我大唐无兵吗？”
李世民就在病榻上发出敕命，让李道宗发朔州、并州、代州等九州兵马镇朔州；让薛万均和阿史那社尔发胜州、夏州、银州等十州兵镇胜州；薛万彻和契苾何力发灵州、庆州等五州兵镇灵州；又令执失思力发灵、胜二州突厥兵，与李道宗相呼应。
李世民再令李世勣带领五万兵马，自雁门关深入突厥境内，然后进军至郁督军山，对薛延陀形成高压之势。李世民又发玺书至回纥、同罗、奚结诸部，让他们协助唐军，围击薛延陀。这也正是李世民班师之际，选择自太原回京的缘故。
唐军屯于郁督军山，使薛延陀国中惊扰，一日之间，动辄有人传说“唐兵至矣”，由此引起诸部大乱。多弥可汗心内恐惧，于一日夜里带领数千骑西奔，被回纥部发现，击而歼之，多弥可汗在乱军中被杀，其手下也被斩杀殆尽。