当年夏天，唐太宗下诏为明年二月登泰山封禅做准备。夷男起了不臣之心，准备利用唐太宗登泰山封禅“北边空虚”之机入侵漠南。唐太宗得到信息，取消封禅计划，在漠南集结军队，任命并州都督长史李世勋为兵部尚书，总督北方军事。十一月中旬，夷男以突厥人“数窃羊马”为借口，率领二十万大军入侵白道川（今呼和浩特市以北）。李思摩遵照预先约定的对策，放火烧掉牧草，率众退入长城。夷男派其儿子领兵追到长城脚下。唐太宗当即下令李世率领各边郡将领张庆贵、张俭、李袭誉、李大亮等，兵分五路反击薛延陀。十二月中旬，唐军在诺真水（今呼和浩特西北艾不盖河）大败薛军，夷男之子大度设率部众败逃，“相腾践而死者甚众，伏尸被野”，唐军缴获战马一万五千余匹（《旧唐书·铁勒传》）。战后，在唐军护送下，李思摩率突厥降众返回漠南。唐太宗将滞留在长安的薛延陀使者全部遣返，要他们向夷男捎话：“举措利害，尔当自思”，希望他好自为之。
贞观十九年（公元645年）九月，夷男死，其子拔灼（多弥可汗）乘薛延陀部属都来会丧之际，袭杀其庶兄曳莽（突利失可汗）引发薛延陀内乱。同年十二月，拔灼为了转移内部矛盾，乘唐太宗亲征高丽未返，侵掠大唐边境。唐右领军大将军执失思力以诱敌深入之计，与左武侯中郎将田仁会在夏州将拔灼击败，并向北追击六百余里，“耀威碛北而还”。
贞观二十年（公元646年）正月，正在并州（治今山西太原市）养病的唐太宗，下令夏州都督乔师望和右领军大将军执失思力继续出击薛延陀，拔灼大败而逃，唐军俘获其两千余人。六月，唐太宗又命李道宗、阿史那社尔、执失思力、契苾何力、薛万彻、张俭诸将军，分别率军从朔州、夏州、凉州、代州和营州五路出击薛延陀。薛延陀内部大乱，互相攻杀，多弥可汗拔灼在败逃时被回纥部杀掉，薛延陀宗族几乎全被消灭。薛延陀部剩下的七万余众，共推夷男之侄咄摩支为伊特勿失可汗。起兵反叛薛延陀的各部争相遣使降唐。咄摩支自感难以自立，主动取消可汗头衔，也遣使向大唐求降，并请求迁居郁督军山之北。唐太宗派兵部尚书崔敦礼前去受降并安置薛延陀余众。可是，世代居住在郁督军山以北的铁勒九姓（也称敕勒九姓）不堪忍受薛延陀的残酷压迫，纷纷上表大唐朝廷，一致拒绝咄摩支率领的七万余众进入郁督军山北境。唐太宗见此情况，遵从漠北民意，收回成命，派遣李世勋率领大军与郁督军山以北铁勒九姓夹击薛延陀残部；并要李世勋随机应变，“降则抚之，叛则讨之”。李世勋奉命迅速北出，进军至郁督军山下，歼灭薛延陀残部五千余人，俘获其男女三万余口。薛延陀酋长梯达真率部降唐。伊特勿失可汗咄摩支惊慌万分，逃入荒谷。李世勋派萧嗣业前往招降，咄摩支投降唐军。七月，咄摩支被押送长安，唐太宗赦其死罪，拜为右武卫大将军。

八月，李道宗和薛万彻率军至沙碛以北，遇到薛延陀残部阿波达官率领的几万人抵抗。李道宗、薛万彻坚决反击，斩敌一千多，追击二百余里，薛延陀残部大败，全部投降。至此，薛延陀汗国宣告灭亡。
贞观二十一年（公元647年），唐太宗下诏，在漠北铁勒诸部地域内设立“六府七州”，对降伏的薛延陀部实行羁縻统治。
六府：一、回纥部为瀚海府，治所今蒙古西南鄂尔浑河上游西岸哈尔和林西北，原薛延陀郁督军山故都；二、仆骨部为金微府，治所今蒙古肯特山北鄂嫩河上游；三、多滥葛部为燕然府，治所今蒙古乌兰巴托北；四、拔野古部为幽陵府，治所今蒙古克鲁伦河上游；五、同罗部为龟林府，治所今蒙古色楞格省东部；六、思结部为卢山府，治所今蒙古杭爱山东南。
七州：一、浑部为皋兰州，治所今蒙古中央省土拉河北岸，乌兰巴托西南；二、斛薛部为高阙州，治所今蒙古色楞格省东部，乌兰巴托以北；三、奚结部为鸡鹿州，治所今俄罗斯赤塔西南赤塔河上游（乔治回乐县，今宁夏吴忠市北）；四、阿跌部为鸡田州，治所今蒙古乌兰巴托以北（侨治地在回乐县，今宁夏吴忠市北）；五、契苾部为榆溪州，治所今陕西榆林市西；六、思结别部为鹿州（地点失考，一说侨治地或在今宁夏南部）；七、白霫部为寘颜州，治所在今蒙古塔木察格布拉克东南（一说乔治地或在今内蒙古乌拉特旗境内）。
以上各州均以本部族酋长任都督、刺史，对漠北实行羁縻统治。各酋长为入朝便利，请于回纥以南、突厥以北，开辟一条南北驿道，称“参天可汗道”，沿途设立六十八座驿站，驿站内备马匹酒肉，以供过路使者使用。归唐各部“岁贡貂皮，以充租赋”；并请大唐派驻“能属文字之人，使为表疏”，“太宗皆许之”。

为了加强对北方各羁縻州府的管理，唐太宗在北方单独设置了燕然都护府（治今内蒙古杭锦旗东北），任命扬州都督府司马李素立为都护，统领上述六府七州。李素立安抚有方，深受铁勒诸部拥戴。各部相率敬献酒食牛马牲畜，李素立只受酒一盅，其余悉数退还（《资治通鉴·唐纪十四》）。李素立这样的边疆大吏，深知身负“宁边”重任，慎行为国，点滴为民，青史留名。
随后，距大唐最远、今贝加尔湖附近的铁勒骨利部，也遗使归唐。唐太宗又在骨利部设置阙州（治所在今贝加尔湖附近），以骨利干俟斤为刺史。次年，自古未与中国通使的结骨部也遣使入唐，要求为该部册立一官。唐太宗即诏令在结骨部设置坚昆都督府（治今俄罗斯叶尼塞河上游），任命其首领失钵屈阿栈为右屯卫将军、坚昆都督。至此，薛延陀部全部归顺。
这一幕，记录了唐太宗北方边疆政策取得巨大成功的盛况。

与回纥保持和好关系
薛延陀部灭亡后，回纥又在北方崛起。不过，大唐与北方回纥交战不多，长期保持着良好关系。
回纥，是维吾尔族的唐代译名。回纥，又称回鹘。回纥原居鹿浑海（今鄂尔浑谷口），渐辗转迁徙于色楞格、土拉、鄂尔浑三水之间，历来臣属于柔然、突厥、薛延陀。

贞观二十年（公元646年）六月，薛延陀汗国内部大乱，回纥首领吐迷度带头举兵反叛薛延陀。唐军乘势向薛延陀发动攻击，薛延陀首领多弥可汗拔灼被唐军击败，逃跑途中被回纥首领吐迷度袭杀。
贞观二十一年（公元647年），回纥首领吐迷度率众归唐。唐太宗在其属地置瀚海都督府（治今蒙古西南鄂尔浑河上游西岸，哈拉和林西北），任命吐迷度为都督。
贞观二十二年（公元648年），回纥首领吐迷度以袭杀薛延陀首领拔灼之功，自称可汗，按照突厥旧制，在其境内设置众官，企图摆脱唐朝统治，在漠北自立。唐太宗得悉这一动态，及时派遣右领军大将军执失思力率军出金山道进攻吐迷度。当年十月，吐迷度的两个侄子乌纥、俱罗勃合谋袭杀了吐迷度。兄弟俩都是东突厥车鼻可汗斛勃的女婿，他们袭杀吐迷度后，企图率领回纥部投靠车鼻可汗。唐朝燕然都护府副都护元礼臣及时诱杀了乌纥。唐太宗担心回纥部离散，及时派遣兵部尚书崔敦礼前往安抚。不久，俱罗勃入朝贡物，被拘。唐太宗以吐迷度之子婆闰袭父爵，为回纥部大俟利发、瀚海府都督。

天宝三年（公元744年），骨力裴罗开创漠北回纥汗国，建牙帐于乌德建山（今哈拉巴拉哈逊）。与唐结盟，助唐平安史之乱，守北庭安西。唐朝先后嫁宁国、咸安、太和公主予回纥可汗。回纥可汗大部分受唐朝册封。
9世纪40年代，因天灾与内乱，回纥为黠戛斯所败，汗国崩溃。部众分裂为四支：一支南迁内地；一支西迁安西，史称“高昌回鹘”或“西州回鹘”；一支迁甘凉，史称“甘凉回鹘”；一支远徙葱岭以西，史称“哈拉汗朝”或“黑汗王朝”、“葱岭西回鹘”。

平定吐谷浑之战
中国古代，北方和西域的军事威胁历来是紧密相关的。解决了北方的军事威胁，如果不紧接着解决西域的军事威胁，北方的军事威胁很可能死灰复燃。因此，唐太宗“安边”的第二个波次，就是着手解决西域的问题。唐太宗经略西域的思路，与汉武帝有所不同。汉武帝是先打通祁连山北麓的河西走廊，然后经略西域；唐太宗是先征服祁连山南麓的吐谷浑，开辟南路通道，然后经略西域。
吐谷浑，最早是人名，后来成为族名、国名。南北朝时，吐谷浑首领夸吕，开始称可汗，建都伏俟城（今青海共和县西北石乃亥镇西北铁卡古城）。吐谷浑鼎盛时期，统治区域东起甘肃省甘南地区，西至今新疆境内的若羌、且末，南至青海以南，北至祁连山脉。它正好地处大唐京都长安与西域的交通要冲，扼控丝绸之路南路通道，在东西方商贸交通史上占有重要地位。

隋朝大业五年（公元609年），隋炀帝西巡时曾打败吐谷浑，伏允可汗南逃，投靠党项族。隋炀帝在吐谷浑属地设立了西海、河源、鄯善、且末四郡，目的是从这里打通西域之路，使吐谷浑故地成为隋朝经营西域的前进基地。但隋末天下大乱，伏允可汗重新复位，吐谷浑得以复兴。
唐初，伏允可汗进入河西，勾结凉州李轨，不断侵袭唐朝西部边境。不久，又翻越祁连山，切断河西走廊，向漠北的东突厥汗国纳贡称臣。唐高祖武德二年至武德九年，吐谷浑年年入侵西部边境。因此，唐太宗即位后，贞观之初先解决了来自北部的主要威胁东突厥，然后及时转移战略重心，开始向西用兵，先后发动了两次征讨吐谷浑的战争。

第一次征讨吐谷浑。贞观八年（公元634年）春天，伏允可汗进犯凉州，并拘留唐朝使者，唐朝多次招谕不从。不久，唐鄯州（治今青海乐都县）刺史李玄通上表朝廷，说吐谷浑这时正牧马青海，“轨兵掩之，可尽致”。六月，唐太宗派遣段志玄、樊兴二将进攻吐谷浑。十二月，段志玄由鄯州向西进攻八百多里，在西海（今青海湖）以东击败吐谷浑部众。但由于长途出击，人困马乏，段志玄作为远征军指挥员，也缺乏穷追不舍的决心与魄力，滞留原地休整，致使吐谷浑尽驱牧马西遁。只有段志玄部将李君羡率领部分精骑长途追击，在西海以南的悬水镇打了一次大胜仗，缴获牛羊两万余头。但唐军这次出击，并没有给吐谷浑以毁灭性打击。唐军刚刚退回鄯州，伏允可汗再次入侵凉州报复。唐太宗决定再次出兵打击。
第二次征讨吐谷浑。贞观八年十二月初，唐太宗再次下令出击吐谷浑。六十五岁的老将李靖主动请战，唐太宗任命他为西海道行军大总管，统帅三路大军出击吐谷浑：一、兵部尚书、积石道（治所在今甘肃积石山县）行军总管侯军集；二、刑部尚书、鄯善道（治今新疆若羌）行军总管李道宗；三、凉州都督、且末道（治今新疆且末）行军总管李大亮。
贞观九年（公元635年）正月，三路大军集结西进。李靖率统帅部到达鄯州，召集众将商议对策。侯君集提议“简精锐，长驱疾进，掩其不虞，可有大利，此破竹之势也”。李靖采纳这一建议，命李道宗率轻骑先发。闰四月初，李道宗在库山（今青海湟源县南）与吐谷浑主力遭遇，伏允可汗依山顽抗，李道宗率千骑从山后发动突袭，伏允大败，“悉烧野草，轻兵走入碛（戈壁滩）”（《资治通鉴·唐纪十》）。戈壁大漠没有水源，昼夜温差巨大，补给困难。李靖在库山召集统帅部会议，与众将商议制敌之策。李道宗认为，伏允可汗逃往河源方向，那里自古人迹罕至，唐军从无高原戈壁地区作战的经验，建议撤回鄯州休整，待军马复壮后再重新发动进攻。侯君集则认为，唐军困难，吐谷浑军更困难。应该乘吐谷浑“鼠逃鸟散，斥侯亦绝，君臣携离，父子相失”的极端困难境地，发动绝地追击，取胜并不困难（《新唐书·吐谷浑传》）。

李靖再次采纳侯君集建议，决定兵分两路：李靖亲率薛万均、李大亮诸将为北路；侯君集率领李道玄等将为南路，实施钳形追击。这次追击战打得十分艰苦，主要战斗发生在青海湖以东及其以南地区。
李靖亲率的北路，其部将薛孤儿于贞观九年（公元635年）四月下旬在曼头山（今青海省青海湖以东日月山口）打败吐谷浑军；另一部分又在赤水源（曼头山以西）打败吐谷浑军，斩杀了几位吐谷浑小头领，缴获大批牲畜，解决了军粮不足的困难。从南路进攻的侯君集部将在牛心堆（今青海省青海湖东南共和县境内）打败了吐谷浑军。五月，在乌海（今青海省青海湖以南玛多县东北冬给措纳湖）追上伏允可汗，经过激烈交战，将其击溃，伏允逃跑。同月，薛万均、薛万彻兄弟与吐谷浑天柱王在赤海（今青海省青海湖东南共和县东南曲沟一带）发生激战，遭到吐谷浑凌厉反击，薛氏兄弟被吐谷浑军队包围，“兄弟皆中枪，失马步斗”，战骑大部死伤大半，险被吐谷浑反歼；幸亏左领军将军契苾何力率领援兵及时赶到，将吐谷浑军打败（《资治通鉴·唐纪十》）。
这时，李大亮在蜀浑山（今青海省青海湖东南共和县东南曲沟以西）打败吐谷浑军。

唐太宗又派大将执失思力率援军驰援青海，并在居茹川（今青海省青海湖东南共和县西北之柴集河）打败吐谷浑军。
北路李靖指挥大军长途奔袭，直插新疆且末，“穷其西境”（新疆的且末、若羌，是吐谷浑统治区的最西边境），切断其最后退路。这时侦察得知，伏允可汗已经逃至突沦川，即将逃往于阗（今新疆于田，在且末以西）
李靖统帅部居伏俟城（今青海共和县西北石乃亥镇西北铁卡古城）。指挥李大亮、薛万均兄弟及契苾何力率部西追伏允可汗，命侯君集和李道宗率部西进柏海地区追歼吐谷浑余部。

契苾何力精选骁勇骑兵一千余名，长途奔袭追歼伏允可汗。沙漠中没有水源，“将士刺马血饮之”。契苾何力率精骑直插突沦川，“袭破伏允牙帐，斩首数千级，获杂畜二十余万，伏允脱身走，俘其妻子”（《资治通鉴·唐纪十》）。
南路侯君集部也向西追击二千余里，进入高寒无人区，“盛夏降雪”，“其地无水，人吃冰，马噉雪”。经过星宿海、柏海（均为黄河源头地名，具体路径失考）等地，“还与李靖军合”。最后这句话，可能是指在回撤途中与李靖军会合，会合地点不详（一说会合在大非川）（参见《资治通鉴·唐纪十》）。
伏允可汗逃向戈壁深处，已经穷途末路，最后在败逃途中被随从所杀。伏允嫡子、大宁王慕容顺，眼看吐谷浑气数已尽，率众击杀天柱王，举国向唐朝请降。至此，围歼吐谷浑之战宣告结束。

但慕容顺长期在隋朝当质子，在吐谷浑国内缺乏人望基础。几个月后就被吐谷浑内部人所杀。吐谷浑拥立慕容顺之子、燕王诺曷钵为君主。诺曷钵年幼，大臣争权，国内大乱。
十二月，唐太宗又派兵部尚书侯君集领兵前往平定，局势才得以控制。此后，吐谷浑与唐朝保持了较长时间的良好关系。

平定高昌、焉耆、龟兹之战
高昌、焉耆、龟兹，由东往西，依次位于天山南麓丝绸之路中线的交通要道上，唐初受西突厥控制。征服这三个西域小国，对于保持丝绸之路的畅通关系极大。
高昌（今新疆吐鲁番县东南尚存高昌古城废墟）。高昌王麴文泰，曾在贞观四年（公元630年）前来长安朝谨唐太宗，受到很高礼遇。后来由于受到西突厥的挑拨，高昌国阻拦西域各国过境入唐进贡，并出兵攻打西域焉耆、伊吾等国。唐太宗下诏斥责高昌国国王，并于贞观十三年（公元639年）下诏麴文泰来朝，麴文泰称病不朝。于是，唐太宗命侯君集领兵征伐高昌国。麴文泰忧惧病亡，由他儿子麴智盛继位。侯君集指挥的唐军连克柳谷、田城，直指高昌国都。麴智盛迎战兵败，退入高昌城固守，并向西突厥求援。西突厥军队进至可汗浮图城（今新疆乌鲁木齐市）向唐军投降；麴智盛无力抵抗，也于八月初向唐军投降。侯君集在高昌城置西州，在可汗浮图城（今乌鲁木齐）置庭州，在交河（今吐鲁番市西北）置安西都护府，驻兵镇守，以保障吐鲁番盆地北缘丝绸之路交通顺畅。

焉耆。焉耆位于南天山南麓、吐鲁番盆地最西端与塔里木盆地北缘的交界处。侯君集征服高昌国后，将高昌掳获的焉耆人全部放回，焉耆遣使谢恩，与唐朝保持了友好关系。但当时西突厥在西域的势力很强，经不住西突厥的威胁拉拢，焉耆又倒向了西突厥。贞观十八年（公元644年）唐朝安西都护郭孝恪上表请求出兵讨伐。八月，唐太宗下诏，以郭孝恪为西州道行军总管，率步骑三千出击焉耆。也许是焉耆方面得到了消息，或王室内有矛盾，唐军尚未出发，焉耆王龙突骑支的三个弟弟一起前往西州来向唐军投降。于是，郭孝恪以他们中的栗婆准为向导，领军向焉耆进发。焉耆城是座盐沼水城，四面环水，焉耆王龙突骑支麻痹，不加防备。唐军利用夜间渡过水面，拂晓前登上城墙，发起突然袭击，龙突骑支被俘，焉耆城陷落。郭孝恪留下栗婆准主持国政，唐军返回。但不久，焉耆又被西突厥攻陷，落入西突厥手中。
龟兹。龟兹（今新疆库车）位于焉耆以西。贞观四年（公元630年），龟兹王苏伐叠遣使向唐朝献马，唐太宗赐玺书予以慰抚，从此岁贡不绝。但是，慑于西突厥在西域的军事威胁，后来倒向西突厥。贞观二十一年（公元647年）十二月，龟兹王苏伐叠死，其弟阿黎布失毕继位，反唐倾向更为明显。唐太宗命左骁卫大将军阿史那社尔领兵十万讨伐龟兹。唐军首先攻克了焉耆以北被西突厥控制的处月、处密二部，焉耆国王薛婆阿那支弃城而逃，被唐军追上俘获。唐将阿史那社尔改立薛婆阿那支之弟为焉耆国王，作为唐朝藩臣。唐军进至龟兹城以北地域，龟兹国王诃利布失毕率军五万出战唐军，兵败，退回龟兹都城伊逻卢（今新疆库车县北）坚守。十一月，唐军攻克伊逻卢，诃利布失毕又退据拨换城（今新疆阿克苏县东）。唐军又攻克该城，诃利布失毕被俘。龟兹是西域大国，龟兹陷落，震惊西域。唐朝设立龟兹都督府，统领于阗、焉耆、疏勒、龟兹四国。