赤柯泺向北撤退。李积看到薛延陀大军骑马撤退，就下令袁天纲率领六万步兵尾随薛延陀大军后面追击，他与薛万彻率领着七千二百骑兵抄近路拦击薛延陀大军。
当李积率领骑兵越过白道川，追赶到诺真水（今内蒙古包头西）时，大度设见三万薛延陀大军被仅七千多大唐骑兵撵着屁股后面追击，于是就勒住兵马回头作战，想一举吃掉这七千多唐军。
于是，大度设命令薛延陀的军队万箭齐发，唐军的马匹大多被射死。李积命令士兵们都下马，手持马槊摆成马其顿方阵，严阵以待。大度设见唐军是骑兵变成步兵作战，就麻痹大意，命令薛延陀采取步兵战法：使五人编成一个组，一人牵着马，四人在前边作战。
李积看到薛延陀采取步兵战法，微微一笑，立即下令：
“六千唐军骑兵变步兵组成的马其顿方阵，手持马槊，按照鼓号声整齐划一地向敌军方向迈进；薛万彻率领一千二百骑兵从薛延陀大军后面偷袭他们的军马。”
二刻后，两军就狭路相逢了，但是在战场上，唐军对薛延陀形成“碾压”优势：唐军用的马槊一般四米长，而薛延陀人用的突厥弯刀不够长。短兵相接，薛延陀兵手中的弯刀还没碰到唐军，自己就被唐军手中的马槊串成了人肉串，很快招架不住溃散而逃。当薛延陀士兵逃到后方时，发现唐军骑兵已经偷袭成功，将他们牵马的士兵斩杀，将他们的军马掳走。薛延陀士兵们失去了马匹，想逃逃不走，正在不知所措之时，唐军攻击过来，斩首三千余级，获战马一万五千匹，甲仗辎重不可胜计，薛延陀军队像雪崩般逃窜，相互踩踏而死者甚众，伏尸遍野。
大度设脱身逃走，薛万彻率领骑兵追赶了五十余里而没有追上。大度设率领的一万余残兵败将逃到大漠以北时，正遇上大雪，人马冻死的有十分之八九，等大度设逃窜到薛延陀可汗牙帐郁督军山（今内蒙古杭爱山）时，身边只剩下一二千人。
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