四川出土的免死碑，李靖为开州一带的反唐叛军所立。
颉利可汗的牙帐设在定襄（今内蒙古清水河县境内），李靖率领骁骑三千，从马邑（今山西省朔州市）出其不意，直趋定襄南面的恶阳岭。颉利惊慌不已，说:“唐兵若不倾国而来，靖岂敢孤军而至。”次年正月，李靖攻破定襄，颉利仓皇逃遁铁山（今内蒙古白云鄂博）。别部唐军也取得辉煌胜利。
在唐军的沉重打击下，颉利十分恐惧，遣使入朝谢罪，请求举国内附，自己来长安居住。二月，唐太宗派鸿胪卿唐俭等人赴突厥宣慰，李靖领兵迎接颉利。他同李勣会合于白道（今内蒙古呼和浩特市西北），相互商议道:“颉利虽败，其众犹盛，若走度碛北，保依九姓（回纥部落），道阻且远，追之难及。今诏使至彼，虏必自宽，若选精骑一万，赍二十日粮往袭之，不战可擒矣。”李靖把这一决定告诉将军张公谨，张公谨说:“诏书已许其降，使者在彼，奈何击之！”李靖说:“此韩信所以破齐也（西汉派郦食其游说齐王田广归顺，田广遂撤销守御，韩信乘其不备，出兵袭破之），唐俭辈何足惜！”
颉利见唐使来请，心里很踏实。李靖、李世勣连夜进军，在阴山一带俘获突厥千余帐。李靖派部将苏定方率二百骑为前锋，乘雾前进，距离铁山颉利牙帐七里时，颉利才发觉。颉利乘千里马逃跑，唐俭趁势脱身而归。李靖大军赶到铁山，斩首万余级，俘获十余万。颉利想北度沙漠，由于路口已由李世责力把守，未能得逞。他改道走投吐谷浑，被唐西道行军总管张宝相擒获。突厥灭亡，唐朝的北部领土自阴山向北延伸到大漠。
李靖年事已高，患病退休。立国青海的吐谷浑不断寇边，太宗下诏大举讨伐，很希望李靖能够出马指挥。李靖闻讯，请求出征，太宗喜出望外，任命他为西海道行军大总管，节度五总管及突厥等族兵力，出击吐谷浑。贞观九年（635）闰四月，吐谷浑遭到唐军的打击，烧掉野草，退保大非川。
诸将都认为“马无草，疲瘦，未可深入”。兵部尚书、积石道行军总管侯君集不同意，认为吐谷浑“今一败之后，鼠逃鸟散，斥候亦绝，君臣携离，父子相失，取之易于拾芥，此而不乘，后必悔之。”李靖采纳，督率诸军深入敌境，越过积石山，前后战斗数十回合，取得彻底胜利。
李靖不仅有丰富的军事实践，还有精湛的军事理论。《宋史》卷207《艺文志六》著录有李靖兵法多种:《韬钤秘术》一卷，《韬钤总要》三卷，《卫国公手记》一卷，《李靖六军镜》一卷，《李靖兵钤新书》一卷，但北宋神宗时已经不见完帙。现在能见到的只有唐人杜佑《通典·兵典》保存的一部分《李靖兵法》。传世的《唐太宗李卫公问对》，一般认为是假托之作。
贞观十四年（640），李靖的夫人去世，太宗指示在自己的陵墓昭陵旁修造李靖夫妇的陪葬坟墓，依照西汉名将卫青、霍去病旧例，墓前筑阙，修成突厥铁山和吐谷浑积石山形状，以表彰李靖的特殊功绩。九年后，李靖病逝，享年七十九，和夫人合葬。
李靖的军事成就远远高于唐代其他将领。高祖多次夸奖道:“李靖是萧铣、辅公祐膏肓，古之名将韩（西汉韩信）、白（秦将白起）、卫（卫青）、霍 （霍去病），岂能及也！”太宗夸奖李靖道:“昔李陵（西汉大将）提步卒五千，不免身降匈奴，尚得书名竹帛。卿以三千轻骑深入虏庭，克服定襄，威振北狄，古今所未有。”
李靖年迈不再出征，太宗议论起另外三位将领，却是另一番评价:“于今名将，惟[李]世勣、[李]道宗、[薛]万彻三人而已，世勣、道宗不能大胜，亦不大败，万彻非大胜则大败。”唐代后来的名将为数不少，有的只是在政治上会来事，军事并不突出，有的是蕃族出身，不可能被汉人拉来做神灵。而且，比起李靖，他们都没有水战、步战、骑战的全面经历，也没有军事理论著作。因此，民俗把李靖附会为托塔天王，在从唐朝到明朝这段时间内，应该说是很自然的事。
