李渊见江南已无战事，北部突厥犯边不断，任命李靖为潞州行军总管，统率一万五千江淮兵驻守上党（今山西长治）。
625年（武德八年）八月，距离上次签订的和平条约仅二年，东突厥颉利可汗再次组织大军入侵唐境。李渊闻讯派张瑾领兵一万驻石岭（今山西岚县北部山隘，是太原的北门户），命令李靖统领本部兵马北上太谷（今山西晋中市，在太原南面）。
此次颉利可汗组织了十万大军，兵分为三路，突利可汗统领二万东路军南下雁门，颉利亲率六万中路军直对太原，阿史那欲谷（欲谷设）统领二万西路军由朔方向太原进军。颉利此次入侵中原，就是想乘着秋天战马雄壮、绿草茵茵之时，抢掠财富和人口。他们无需辎重，走到哪里放牧到那里，犹如蝗虫一般，所过之处，掳掠一空。
张瑾兵马尚未赶到石岭，颉利可汗大军已经攻克石岭，石岭守将张德政战死。颉利迅速南下，在忻州（今山西岚县）与张瑾兵马相遇，依仗骑兵快速之利，将张瑾兵马团团包围。
太原总管任瑰率领二万兵马救援，被打的大败，只好退回太原城。张瑾兵马全军覆没，张瑾仅率领数百人逃脱，军中大员中书侍郎温彦博被俘。
李靖驻守的太谷在太原南六十里，与太原掎角相望，守护着太原南下通道。颉利携得胜之师直驱太原城下，任瑰刚刚战败，只能固守城池。颉利兵马并不强攻坚城，而是四处抢掠，有二万兵马南下，撞见到横亘在路上的李靖兵马。
李靖排布的是自创阵法：六军镜阵，阵中分有六军，互为镜像，相互依托。突厥人使用的是骑兵战步兵的惯用战法，骑兵绕阵疾驰射箭，一面压缩敌阵，一面寻找破绽口。
突厥人见到唐军阵地出现了裂口，敌将率兵寻隙而入。李靖在阵中令旗一挥，裂缝弥合，只放一千多敌军入阵。阵中战车排布，犹如迷宫，冲入阵中敌人找不到出路，逐渐被压缩到一隅，战马拥堵，反不如步战，被李靖步兵的长枪戳、钩镰拽，不到一个时辰，宰杀干净。
突厥人眼见一千多人的兵马被大阵吞噬，其它兵马被隔绝在外，再也攻不进去，主将胆怯，下令回军。
颉利听说唐军如此厉害，命令收拢四处抢劫的部队，亲率大军再次围攻李靖。
在李靖的六军镜阵中，有六只部队各守一方，组成环阵，一方受攻、邻军支援。外侧士兵依托战车掩护，配备大盾长枪，内侧士兵使用强弓硬弩，面对敌人骑兵的轮番冲击，丝毫不落下风。
颉利观阵许久，惊叹其阵型严谨，变化自如，询问身边的谋臣执失思力：“敌将何人，这是什么阵法？”
执失思力答道：“敌将是李靖，据说是世代将门，此阵法我也不识。”
颉利道：“百年世家，薪火相传，不容小觑！”
颉利用大军四面围困，一连数日，依然攻不破李靖军阵。颉利无奈，僵持在此，寄希望于东西二支大军突破唐军防线，前来会合。
阿史那欲谷率领的西路军在朔方受到了灵州都督李道宗、泾州总管罗艺的合力阻击，突利可汗的东路军在雁门与雁门道行军总管刘弘基激战，都无法继续前进。
李渊听报颉利亲率六万大军越过石岭，张瑾全军覆没。知道事态严重，下令太子李建成从京师、蒲州抽调三万兵马援救太原，李世民征集山东、河南兵马做预备。薛万彻时为太子府车骑将军，因作战勇猛，为人直爽，被李建成引为心腹。薛万彻向李建成建议：“救援如救火，我愿率领轻骑为前部，尽快赶到太原。”
李建成同意，给薛万彻三千骑兵，让其先行。薛万彻到达太谷后，见颉利大军四面合围李靖，敌人的后军圈有大量牛羊（军粮），兵力薄弱。随即领兵夜晚行军，绕到敌后，拂晓突袭突厥后军，牛羊四散，突厥人一时不知多少兵马来袭，混乱不堪。薛万彻领军往来冲击敌军数次，见敌军渐渐开始组织反扑，率领部队脱离战场，投奔太原城。
太原守军见到援军破阵而来，军心大振。总管任瑰询问得知，李靖与颉利相持不下，李建成大军随后就到，心中大喜，知道转守为攻的时机就要到了。
颉利可汗眼看着面前的硬骨头啃不动，又被薛万彻兵马搅了一下，更加无奈。探马来报，李建成率领三万兵马正在赶来，还有一天的距离。颉利和李建成交战过多次，知道李建成用兵稳健，很难战胜。他可不想与李建成在此相耗，他是来发财的，也耗不起。颉利下令取消南下计划，全军往西开拔，转战离石郡（今山西离石县）。
幽州都督李瑗见突利可汗从雁门道进犯中原，亲率一万兵马增援刘弘基，部将王君廓建议道：“我率领一支骑兵断敌归路，咱们前后夹击，可大败敌军。”
李瑗知道王君廓善用骑兵，准其计，分派给二千精骑，让其便宜行事。
突利可汗被唐军阻挡在雁门，连日征战，始终战事胶着，将士疲惫。这日夜晚，突利后营突然被唐军偷袭得手，火光冲天，人喊马嘶。李瑗和刘弘基见状，知道是王君廓所为，同时率领大军向突利发起总攻。突利大败溃逃，一气逃回草原，损失三千多人，五千多批战马，牲畜无数。
李渊闻得东路捷报，大喜，擢升王君廓为右武卫大将军，赐彩锦百段。
李建成与李靖会师后，得知李靖独自抵抗颉利数日，不露败象，大为赞赏，共同商议下一步行动计划，李靖建议，紧追颉利大军，让其不能停留抢掠。李建成赞同，率领大军紧追颉利。
薛万彻率领三千骑兵突前追击，唐军对抢掠家园的敌人恨之入骨，战意昂扬，在薛万彻率领下，经常向数倍于己的敌军发起短促冲击，一击而退，使得颉利人马无暇抢掠。
颉利决定吃掉薛万彻这只附骨之疽，在前面的紫渊山设饵，命令叔叔阿史那苏尼领兵一万，绕到侧后，待薛万彻再向我军进攻时，堵住敌军回退之路。紫渊山地势狭窄，突厥军进入此地后形成几十里的长龙，薛万彻当然不肯错过时机，向突厥后队发起攻击，待发现后路被断时，无奈，领军横斜里乱闯，退到上岗之上，固守待援。
李靖率军赶到，阵型如龟，稳步向前推进，敌人却无处下口，时不时，从阵中冲出一支千人骑兵队，攻击敌人薄弱环节，又迅速退回本阵，就像乌龟快速伸头猛咬猎物一口就缩回一样，将阿史那苏尼的一万骑兵逼得连连后退。
李建成派出五千轻步兵，沿山脊抄近路到达突厥军侧翼，向敌人进攻。颉利本想在狭窄地域歼灭薛万彻所部，没想到唐军增援迅速。崎岖山地限制了骑兵发挥，只好下令撤出战斗。薛万彻见援军已到，率部冲下山岗，反而成了薛万彻阻断阿史那苏尼的退路。在唐军的前后夹击下，阿史那苏尼大败而逃，损失了三千多兵马。
草原上突厥人是由各个部落组成，每个部落有自己的地盘和族长，颉利是他们共推的领袖（可汗），阿史那苏尼损失的都是自己部落子弟兵，心痛不已，大骂颉利瞎指挥，对颉利已有不服之心。
颉利见李建成追击的紧，只好直接退往朔方，与西路军阿史那欲谷会合。会合后，发现阿史那欲谷在罗艺和李道宗的联合阻击下，状况也不好。众将领认为这次唐朝准备充分，再战下去讨不着便宜，不如撤回草原。颉利也丧失了战胜李建成的信心，于是率领大军退出唐境，回到草原去了。
李建成率领的唐军，尚不具备越境作战的实力（以步兵为主，补给线不能过长），只能任其撤离了。
李建成一一会见州县官员，嘉奖勉励他们，展现了亲和干练的形象。李建成单独会见了罗艺，对罗艺现在的待遇深表歉意，今后一定补偿。
李建成大宴群臣，欢庆胜利。李建成在宴会上极力称赞了罗艺和李靖，乃世之名将，大唐栋梁。并鼓动道：“大唐只需几年休养生息，就能恢复隋文帝时期的盛况，到那时，对待入侵抢掠的强盗，我们绝不是仅仅将其驱除，而是要追杀到底，让他们有来无回！”众人轰然响应，对李建成心悦诚服。
此战再次凸显了李靖领兵之能，李渊调任李靖为灵州道行军总管，让其率军驻守灵武郡（今宁夏灵武市）。（注：灵武郡地处北疆，是突厥入侵中原最频繁的通道。）
