颉利可汗被俘之后，东突厥已经尽数归附了唐朝，早年叛变东突厥的铁勒诸部也纷纷归附，这时期的唐朝领土，可以说是拥有今天整个外蒙古草原。同年三月，原突厥属下各部落酋长齐聚长安，尊李世民为“天可汗”，中原王朝“天朝上国”的思想，正是从此开始。
对投降的东突厥，唐太宗采取了极其开明的政策，不但赦免了颉利可汗的罪过，对投降的突厥人也一视同仁，终唐一世，突厥族官员是唐朝政坛一股重要力量，如执力史思、阿史那思摩等人皆是唐王朝重臣。仅贞观一朝，五品以上的突厥官员就有100多人。长安城内居住的突厥人也有1000多家。当然中间也有不和谐，比如公元639年，突利的弟弟结社纠集40多人企图行刺唐太宗李世民，阴谋被粉碎后，唐太宗采取宽容政策，并未借机株连各突厥部族，反而在突厥旧地建立牙帐，让突厥成为唐朝边境的屏障。
东突厥败亡后，如之前一样，北方草原的权力真空再次出现，而原本被东突厥压制的西突厥，势力也再度壮大，之后陆续有薛延陀汗国等部落崛起，但皆被唐王朝平灭。唐朝在漠北设立单于、瀚海两个都护府，后合并为安北都护府，委任当地部族首领为官，将漠北草原纳入唐王朝治下。而势力变大的西突厥，也终未能填补东突厥败亡后的草原空白。唐朝在与东突厥的周旋时期，对西突厥一直采取通好政策，企图扶植西突厥来牵制东突厥，但西突厥起先被打得太惨，而在东突厥败亡后，他们的实力又迅速膨胀。唐太宗李世民在位时，西突厥的势力范围，主要是今天新疆的北部和西部地区，唐朝平灭东突厥后，西突厥东面的薛延陀以及高昌国又相继归附，此后高昌国叛乱，唐太宗派侯君集平定。侯君集平高昌国前，西突厥一直支持高昌国，但唐军夜行700里奇袭高昌，仅用一夜时间平定高昌全境，吓得西突厥立刻奉表求和。公元640年九月，唐朝在吐鲁番设立安西都护府，西突厥被纳入了唐王朝版图。此后，西突厥也和东突厥一样，由于内部的不和陷入分裂之中，唐朝则步步紧逼，以安西都护府为基点，不断招降西突厥部落，册封西突厥的各部落酋长为唐朝官?。值得一提的是，唐军派去平定西域的军队，许多都是原东突厥的军队，比如名将阿史那杜尔。公元642年，唐将郭孝恪连续击败西突厥可汗乙毗咄陆，众叛亲离的乙毗咄陆于次年奉表归降，西突厥全境被纳入唐朝安西都护府治下。
公元649年唐太宗李世民去世时，唐朝瑶池都督，突厥人阿史那贺鲁发动叛乱，唐朝一开始采取怀柔政策，但阿史那贺鲁却四处扩张，一度雄踞西域，自称沙钵罗可汗。唐朝多次征讨，皆因地处偏远，无功而返。公元655年，唐朝以苏定方为行军大总管，大举西征阿史那贺鲁。苏定方采取软硬兼施的策略，一面招抚突厥部落，一面集中力量攻打阿史那贺鲁本部，在卡乐额尔齐斯河战役中，唐军用步兵方阵战术，击破阿史那贺鲁的突厥骑兵，随后趁雪夜追击，一举攻破阿史那贺鲁的老巢金牙山，阿史那贺鲁逃亡塔什干后，被当地酋长送交唐朝，至此，雄踞西域一时的西突厥汗国，彻底灭亡。
