就在众将领还在犹豫不决之时，李靖搬出来袁天纲，说：
“临行前，圣上交代，遇大事不决问袁天纲。请问袁先生，这次奇袭铁山，能否擒获颉利可汗？”
袁天纲望着大帐内众将领期盼地眼神，回忆起他在现代社会读新唐书中李靖铁山之战擒获颉利可汗的历史，为了坚定唐军将领的决心，他激励大家说：
“殷商末年，周武王讨伐商纣王，巫师占卜得出征不吉，且当日风雨交加，众人都惧怕、犹豫不决之时，姜太公厉声说：我们周军吊民伐罪，讨伐荒淫无道的商纣王，对于我周军是大吉，对于殷商军队则是大凶。力劝周武王出兵，结果灭掉殷商建立周朝。
天道轮回，今日我大唐军队也是吊民伐罪，讨伐淫无道的颉利可汗，对于我唐军是大吉，必定会擒获颉利可汗。”
听罢袁天纲的慷慨激昂地演说，唐军将领上下一心，纷纷要求亲自率兵奇袭铁山。李靖看火候已到，于是祭出李世民的御用佩刀，手举过头顶，众将领见状连忙跪拜。
李靖严肃地下军令：“本帅亲率一万精骑，即刻启程奇袭铁山；卫孝节、程咬金率一万兵力赶到大碛口设防，以防颉利可汗逃窜漠北；李道宗、张宝相在灵州西北部设防，以防颉利可汗逃窜吐谷浑；李积率领剩余主力大军随后出发，与本帅在铁山汇合。违令者，本帅用此佩刀先斩后奏。”
“诺！”众将听令，齐声呵道。
李靖率领一万精骑，人衔枚马裹蹄，冒着风雪直奔铁山，路上遇到突厥的斥候及小股部队，为了不走漏风声，李靖命令全部斩杀灭口，并命令加快速度行军。经过一整夜的长途奔袭，终于于二月初八上午辰时，唐军赶到铁山在离突厥颉利可汗牙帐七里处。
李靖手举唐横刀，临阵动员：“大唐的将士们，突厥颉利可汗就在前方，诸位建功立业的机会就在眼前，抓住颉利可汗者封侯！苏定方，你率二百精骑做先锋，斩将搴旗，务必擒获颉利可汗。”
苏定方一听说李靖要把天下的最大奖牌递到自己面前，立即浑身血液沸腾，厉声高喊：“遵命！”
于是，苏定方骑马跑在在第一位，紧随其后的是二百精骑，万余精骑殿后，乘着浓雾，万马奔腾地杀向颉利可汗的牙帐。
此时，突厥颉利可汗正在铁山临时牙帐接见大唐使者唐俭，双方正在商议受降的具体细节。突然有突厥人在大帐外大喊道：“唐军杀来了，唐军杀来了。”颉利可汗没顾上唐俭一行使者，急忙跑到帐外，他看到一幅恐怖的景象：在浓雾中，一万唐精骑，像一大群杀神，狂叫着杀进突厥大营。
颉利可汗心念着：“长生天呀，这是恶魔降临了吗？”于是，颉利可汗本能地骑上自己的汗血宝马逃跑。
突厥人找不到可汗，军中无主，就像一群无头苍蝇一样四处溃散。唐俭一行使者也被突如其来的唐军劫营而震惊，趁着突厥大营一片混乱，心里诅咒着李靖不地道，急忙脱身而出。唐俭等使者也趁乱逃出突厥大营。
此铁山战役，唐军共斩首万余级,俘获男女十余万人，擒获颉李可汗与隋朝义成公主的儿子叠罗施及唐奸赵德言。李靖怒斥赵德言是当今之赵高，当场斩杀。
颉利可汗率领仅剩的一万多人想越过沙漠，正好掉进张公谨在大碛口的陷阱里，无法逃脱，突厥残部只好纷纷向唐军投降。颉利可汗仅带着数骑逃出包围圈，一路向灵州西北方向逃窜，去投奔自己的叔叔阿史那苏尼失，想喘口气再往西逃投奔吐谷浑。
这时，大同道行军总管、任城王李道宗的追兵到了，包围住阿史那苏尼失的部落，逼迫苏尼失交出颉利可汗。颉利可汗带着欲谷设等数骑连夜逃跑，藏匿在荒谷中。阿史那苏尼失惧怕唐军，连夜派兵在荒谷中搜获了颉利可汗，仅欲谷设一人逃跑了。大同道行军行军副总管张宝相率军闯入阿史那苏尼失的部落营地，擒获颉利可汗，阿史那苏尼失也率部落投降。
