張沖如實回答，薛萬徹大吃一驚：“深入敵營？”
張沖連忙將這兩日觀察的情況稟報于李勣、薛萬徹兩人，他們二人也知道薛延陀大軍一直在諾真水未動，也就是說這兩日他們已經休整結束，反倒是己方兵馬連續追擊筋疲力盡。
于是，李勣、薛萬徹兩人商議決定就在青山駐扎，又從青山之上觀察敵軍動向。此時薛延陀部大軍已經擺好陣勢等待他們，整個軍陣長達十里就像是一面城墻似的，要想突破必須正面迎敵。
李勣、薛萬徹兩人商議決定，李勣率領五千騎兵從正面迎敵，薛萬徹則率領一千騎兵繞后突襲，張沖等人主動請纓作戰，李勣見他們如此堅決，便讓薛萬徹統領繞后。
次日，李勣率領五千騎兵擺好陣仗，與薛延陀部大軍正面交鋒，大度設見李勣僅僅率領數千兵馬，不屑一顧的嘲諷，之前的驚懼完全沒必要，信心十足立即下令：“弓箭手射擊！”
頓時，薛延陀軍中萬箭齊發，紛紛射向李勣率領的騎兵，猝不及防之下亂箭射中的戰馬死傷眾多，數千騎兵瞬間頃刻間損失千人，李勣痛心疾首，再次下令：“下馬沖之！”
眾人紛紛下馬，左手握盾，右手持槊朝著薛延陀部騎兵陣營直接沖了過去，余下的戰馬率先沖了過去，受驚的戰馬驚慌失措之下涌出龐大的力量，像是瘋了似的朝著敵軍瘋狂沖擊。
與此同時，薛延陀軍兵力較強，可惜被戰馬橫沖直撞之下，完全亂了陣型，而放棄戰馬的騎兵瞬間成為步兵，在李勣指揮下，手持陌刀的唐軍就像是屠宰場的屠夫，薛延陀騎兵一時間也不知如何應對。
敵軍兵力雖多，可惜大度設指揮作戰的能力一般，根本發揮不了兵強馬壯的優勢，就算是救援前后兩頭往中間靠攏也需要時間，這也使得薛延陀大軍連連后退。
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薛延陀大軍徹底亂了手腳，薛萬徹又率領兩千騎兵從側面策應，張沖等赤霄軍隨之跟上，這種策應方式，李寬曾經與張沖、李歙等人強調過，故而彼此間配合不需要薛萬徹指揮，很自覺的配合他的行動，這也大大減輕薛萬徹的壓力，放心大膽的將薛延陀騎兵與步兵沖散。
騎兵與步兵無法首尾呼應，也無法策應的情況下，全都混亂了，失去了戰意的他們兵力再強也是弱旅，根本不足為懼。并且，薛萬徹率領的騎兵殺出后，又將騎兵率先制服，這也使得騎兵亂了，步兵的步伐也跟著亂了，眾人四處潰散而逃。
張沖、李歙等人趁機發揮出操練時的成果，僅用一千余人的兵力直接困住薛延陀步兵萬余人，而他們圍而不打，僅僅是圍繞著他們不停地消耗著他們心中戰意，讓他們自知戰敗無力回天而歸降。
李勣則身先士卒的沖入敵營，手持長槊殺了過來，真正戰死的薛延陀部士兵僅有三千余人，其中有部分是被亂了手腳的己方士兵給踩踏至死，大部分都是李勣率領的騎兵斬殺。
兩軍交鋒不到片刻工夫，薛延陀大軍就已經潰不成軍，連日來奔走疲憊的他們早已無心再戰，早早地丟盔棄甲逃之夭夭，仿佛這場大戰早已注定了結果一樣，沒有戰斗力的薛延陀大軍損失慘重，不僅被俘虜五萬余人，就連戰馬也有一萬五千余匹。
諾真水大戰以李勣、薛萬徹為首的唐朝與突厥聯軍大勝告終，這一戰也成為薛延陀開始衰敗的轉折點。