眼看就要把东突厥兵马赶尽杀绝的大度设也没想到唐军会来的这么快。由于不清楚唐军的数量，大度设不敢贸然突袭，命令靺鞨、奚、同罗、仆骨四部八万骑兵冲击唐军，迟滞唐军的进攻，好把自己带领的薛延陀和回纥十万人马向后撤退，拉开与唐军的距离勒兵布阵，使出撒手锏——步兵取胜战术，怪阵长十多里，想要用此对付李勣。
靺鞨、奚、同罗、仆骨四部八万骑兵首先狂冲李勣所带唐军。但游牧民族这种骑兵冲击作战对早就熟悉的不能再熟悉的唐军来说，用处完全不大，唐军步兵的强弓硬弩射住阵脚，长矛、陌刀兵有条不紊的列阵以待。唐军的远中近三层攻击体系瞬间完成。彍骑与东突厥的六千骑兵守护着两翼。
飞蛾扑火般冲上来的四部八万骑兵，在还没有进入骑弓有效射程里，就被唐军的远程武器床弩、攻城弩等射出的粗如儿臂的弩矢穿糖葫芦一般射的人仰马翻，好不容易趁着床弩、攻城弩装填的空当突进一些却又被唐军强弓硬弩射杀。四部首领这时候已经看出大度设在用自己的人当炮灰的意图，纷纷下令撤退。靺鞨、奚、仆骨三部向着东北方向逃散。同罗则向西逃去。靺鞨、奚、仆骨三部向东北逃亡的途中又被从云中出兵的右屯卫大将军张士贵的二万云中军半路截杀，斩首一千多俘获二千多，接着又被营州都督张俭的营州军截杀一番。剩余的人马没命地窜进了白山黑水之中。后来靺鞨吞并了奚、仆骨等部落又消灭吞并了周围的小部落，於698年建立震国(后改称渤海国)，其首领大祚荣於唐开元元年(713)受封为渤海郡王。置忽汗州，加授忽汗州都督。此后辖区即以渤海为号即为后世辽国的前身。
而势单力孤向西逃窜的同罗部一万八千骑军却被灵武、凉州、斛州的七万联军所截杀，全部投降。
打跑了四部骑兵的李勣面对的就剩大度设带领的六万薛延陀和四万回纥的精锐。李勣先令东突厥骑兵冲阵，大度设的步兵取胜法果然厉害，突厥兵还没靠近就被立于地上手持硬弓的大度设的兵射杀无数大败而回。
李勣又令唐军彍骑兵突击，结果大度设依然是万矢齐发，唐军战马多被射死。李勣大怒，命令唐军步兵向前，拥盾执长矛以步战对步战。
此时灵武、凉州、斛州的七万联军突然出现在大度设的右翼。大度设的士气顿时一落千丈。唐军步兵拥盾遮挡住头上的箭支，已经冲到了大度设的怪阵前面，抬起手中长矛向持刀的敌军捅去。唐军矛长，敌军刀短，唐军一下子占了上风，挑杀敌军像穿糖葫芦一般。与此同时，灵武、凉州、斛州的七万联军冲击薛延陀阵中牵马者，将其战马掠夺殆尽。大度设兵败，兵士又失去战马，士兵无心再战纷纷凭借两条腿想要逃跑。李勣纵兵奋击，斩首级八千多个，俘虏敌人不记其数。
大度设和回纥首领吐迷度眼看大势已去各带了贴身保护自己的两千亲卫趁着唐军忙着捉俘虏的功夫，急奔白道川而去，想要翻过阴山回归漠北。
回纥首领吐迷度在逃跑途中马失前蹄，摔了个头破血流。急于逃命的大度设没有等回纥的吐迷度，自己继续跑路。而吐迷度却因为这次意外，逃过一劫，拐道回了漠北。
铁勒木带二万骑军多带马匹，急行军至白道川设伏。已经等了一天时间。散出去的斥候至今没有发现任何敌情。正当铁勒木开始怀疑麦仲肥的判断是否准确时，一小队斥候跑回来报告“前方有千余骑狂奔而来，请将军定夺。”
铁勒木一听，脸上都乐开花了，急忙命令所有部队集合将这千余骑一口吞掉。
一心逃跑的大度设怎么也没想到会冲进斛州军的口袋里，等他发现逐渐围上来的斛州军时，知道自己已经无法回去了，果断命令下马投降。却没想到等他这千余人下马扔了武器，蹲在地上时，斛州军却没有接受他的投降，而是在铁勒木手往下一挥后，万箭齐发，大度设和带领的这一千多亲卫被斛州军射成了一千多只刺猬。