贞观四年（630年）正月，李靖屯驻恶阳岭，夜袭颉利可汗，颉利可汗惊惧，迁牙廷至碛口。大酋康苏蜜等人带着隋朝的萧皇后及杨政道投降唐朝。颉利可汗困窘，退守铁山，兵众还有好几万。颉利可汗派执失思力来唐朝，假装谢罪，请求归降。唐太宗诏令鸿胪卿唐俭、将军安修仁等持节前往抚慰。李靖知道唐俭等人在突厥，颉利可汗定松于戒备，于是乘机袭击，大获全胜。颉利可汗骑着千里马，独身逃奔沙钵罗设阿史那苏尼失处，途中被行军副总管张宝相擒获。阿史那苏尼失率众投降唐朝，东突厥灭亡，唐朝收复定襄、恒安地，开拓国境直至大漠。

唐军将颉利可汗送到长安，向太庙祭告俘获。唐太宗到顺天楼，陈列仪仗侍卫，士民都涌来观看。官吏押送颉利可汗前来，唐太宗说：“你有五罪：过去你父亲国破，依赖隋朝得以存立。但当隋朝有难时，你却一兵之力都不帮助，以致隋朝覆灭，此其一；与我为邻而背信侵边，此其二；连年征战不止，致使部落生怨，此其三；掠夺我天朝人，践踏我庄稼，此其四；许你和亲而迁延逃走，此其五。我要杀你并非没有理由，只是渭的盟约未忘，所以不想苛责。”于是归还他的家属，让他住在太仆，官家供应食用。

思结俟斤带领四万人来降，颉利可汗的弟弟欲谷设逃奔高昌，后来欲谷设也投降唐朝。伊吾城之君长一向臣服突厥，将其七城入献。即以其地设置为西伊州。当时突厥曾遭瘟疫而死者众多，在长城以南尸骨堆积如山。唐太宗诏令祭奠埋葬他们。并将隋末沦落突厥的汉人，派使者用金帛赎回男女共八万人，均还为平民。

颉利可汗不习惯住房子，常在廷中设置穹庐居住，且郁郁寡欢，常与家人悲歌对泣，形体消瘦。唐太宗怜惜，任命他为虢州刺史，因为虢州靠山，多獐鹿等野兽，可以射猎自娱。颉利可汗推辞不去。于是任命他为右卫大将军，赐给良田美宅。唐太宗说：“过去启民可汗亡国，隋文帝不惜粟帛，大兴士众，营卫安护使之存立，到始毕可汗时渐强，却起兵在雁门围困隋炀帝，如今颉利可汗的败亡，大概是他背德忘义的报应吧。”颉利可汗的儿子叠罗支，天性纯真。住在京师时，颉利可汗家的妇女们都有按级别的供应，叠罗支也享用；他的生母最后才来，没有供应，叠罗支就不再吃肉。唐太宗听说，感叹到：“仁孝是天赐的人性，是没有华夷之分的。”于是厚赐叠罗支，以供应他生母肉食。

贞观八年（634年），颉利可汗去世，追赠归义王，谥号荒，诏令其国人来葬，按照他们的礼节，焚尸，葬于灞水之东。