于是，李勣、薛万彻两人商议决定就在青山驻扎，又从青山之上观察敌军动向。此时薛延陀部大军已经摆好阵势等待他们，整个军阵长达十里就像是一面城墙似的，要想突破必须正面迎敌。
李勣、薛万彻两人商议决定，李勣率领五千骑兵从正面迎敌，薛万彻则率领一千骑兵绕后突袭，张冲等人主动请缨作战，李勣见他们如此坚决，便让薛万彻统领绕后。
次日，李勣率领五千骑兵摆好阵仗，与薛延陀部大军正面交锋，大度设见李勣仅仅率领数千兵马，不屑一顾的嘲讽，之前的惊惧完全没必要，信心十足立即下令：“弓箭手射击！”
顿时，薛延陀军中万箭齐发，纷纷射向李勣率领的骑兵，猝不及防之下乱箭射中的战马死伤众多，数千骑兵瞬间顷刻间损失千人，李勣痛心疾首，再次下令：“下马冲之！”
众人纷纷下马，左手握盾，右手持槊朝着薛延陀部骑兵阵营直接冲了过去，余下的战马率先冲了过去，受惊的战马惊慌失措之下涌出庞大的力量，像是疯了似的朝着敌军疯狂冲击。
与此同时，薛延陀军兵力较强，可惜被战马横冲直撞之下，完全乱了阵型，而放弃战马的骑兵瞬间成为步兵，在李勣指挥下，手持陌刀的唐军就像是屠宰场的屠夫，薛延陀骑兵一时间也不知如何应对。
敌军兵力虽多，可惜大度设指挥作战的能力一般，根本发挥不了兵强马壮的优势，就算是救援前后两头往中间靠拢也需要时间，这也使得薛延陀大军连连后退。
薛延陀大军彻底乱了手脚，薛万彻又率领两千骑兵从侧面策应，张冲等赤霄军随之跟上，这种策应方式，李宽曾经与张冲、李歙等人强调过，故而彼此间配合不需要薛万彻指挥，很自觉的配合他的行动，这也大大减轻薛万彻的压力，放心大胆的将薛延陀骑兵与步兵冲散。
骑兵与步兵无法首尾呼应，也无法策应的情况下，全都混乱了，失去了战意的他们兵力再强也是弱旅，根本不足为惧。并且，薛万彻率领的骑兵杀出后，又将骑兵率先制服，这也使得骑兵乱了，步兵的步伐也跟着乱了，众人四处溃散而逃。
张冲、李歙等人趁机发挥出操练时的成果，仅用一千余人的兵力直接困住薛延陀步兵万余人，而他们围而不打，仅仅是围绕着他们不停地消耗着他们心中战意，让他们自知战败无力回天而归降。
李勣则身先士卒的冲入敌营，手持长槊杀了过来，真正战死的薛延陀部士兵仅有三千余人，其中有部分是被乱了手脚的己方士兵给踩踏至死，大部分都是李勣率领的骑兵斩杀。
两军交锋不到片刻工夫，薛延陀大军就已经溃不成军，连日来奔走疲惫的他们早已无心再战，早早地丢盔弃甲逃之夭夭，仿佛这场大战早已注定了结果一样，没有战斗力的薛延陀大军损失惨重，不仅被俘虏五万余人，就连战马也有一万五千余匹。
诺真水大战以李勣、薛万彻为首的唐朝与突厥联军大胜告终，这一战也成为薛延陀开始衰败的转折点。