八月十一日，回纥、拔野古、同罗、仆骨、多滥葛、思结、阿跌、跌结、浑、斛薛等铁勒部落各派遣使者来长安进贡，上奏道：
“薛延陀不事奉大国，暴虐无道，不能做我们的可汗，其自取败亡。薛延陀灭亡后，我们各有自己的领地，不愿意跟着薛延陀陪葬，愿意归附大唐帝国。希望大唐天子可怜我们这些人，在塞北地区设置官府，管理我们。”
李世民非常高兴，于八月十二日，诏令宴请回纥等铁勒部落使者，下诏命：
“在塞北地区实行羁縻州制度，即：将回纥部设为瀚海都督府，仆骨部设为金微都督府，多滥葛部设为燕然都督府，拔野古部设为幽陵都督府，同罗部设为龟林都督府，思结部设为卢山都督府，浑部设为皋兰州，斛薛部设为高阙州，奚部设为鸡鹿州，阿跌部设为鸡田州，契苾部设为榆溪州，白霫部设为寘颜州。
设置燕然都护府，统辖以上瀚海都督府等六个都督府及皋兰州等六个州（今外蒙古）。
任命各部落酋长为都督、刺史，各赐给金银、缯帛及锦袍。”
敕勒各部落使者们非常高兴，捧着御赐礼物，欢呼雀跃，拜谢天可汗李世民。
八月十三日，李世民下《平薛延陀幸灵州诏》：
“自古北戎侵扰中原，春秋时期有山戎边患；汉代有匈奴边患；唐有突厥边患。从大唐建国开始，突厥人就侵扰中原。朕仅遣一支偏师进击，就擒获了突厥颉利可汗；再派遣一支偏师就消灭了薛延陀。
铁勒部落有一百多万户，散居在塞北沙漠，万里迢迢派遣使者，愿意内附唐朝，请求将其土地纳入大唐国土；将其百姓成为大唐国民，朕当暂幸灵州，亲抚归附。收其瀚海，尽入提封；解其辫发，并垂冠带。
这是盘古开天辟地以来，前无古人，今既吞之；前王所不能屈，今咸灭之。斯实书契所未有，古今之壮观。岂朕一人，独能宣力，盖繇上灵储祉，锡以太康；宗庙威灵，成兹克定。应该以隆重的仪式告祭于太庙，且颁布告示普天之下的臣民。”
九月十五日，李世民身体刚刚好转，就不顾鞍马劳顿，亲率群臣到灵州，主持与铁勒各部落酋长们的会盟。
铁勒各部酋长及使者相继到灵州的有数千人，他们集体觐见李世民，纷纷向李世民献礼并请尊李世民为“天可汗”，并立下誓言：
“愿得天至尊为奴等天可汗，我们铁勒部落子子孙孙生生世世为天至尊奴，死无所恨。”
李世民非常高兴，立即恩准这些首领及使者们的请求，还专门写诗以述胸怀：
“雪耻酬百王，除凶报千古。
昔乘匹马去，今驱万乘来。
近日毛虽暖，闻弦心已惊。”
群臣们纷纷上表请求在灵州将这首诗刻成碑文、以纪其功。李世民也听从了群臣们的请求，命石匠将这首五言诗刻在石碑上，以纪其功，竖立在灵州（今宁夏吴忠市）的最高峰──罗山上，史称“灵州勒石”。
当铁勒部落酋长及使者们将要离开灵州时，李世民专门宴请他们，在宴会上演奏十部乐。这些铁勒酋长上奏声称：
“臣等既已成为唐朝的臣民，往来于长安，就好像拜见父母一样，请求在回纥部以南、灵州以北开辟一条道路，起名为参天可汗道，设置68个驿站，各个驿站有快马及酒肉来供给过往的使者，每年铁勒各部使者可以通过参天可汗道进贡貂皮来充当租赋。”
李世民对他们的请求一概应允。从此，塞北地区（今外蒙古）成为中华神圣不可分割的一部分。
灵州北巡后，李世民开始返程，数万大唐军队车粼粼，马萧萧，旗旌旆旆，逶迤数十里。当行军队伍走到唐长城脚下时，李世民看到唐长城犹如一条巨龙，蜿蜒盘旋在崇山峻岭之间，长城外沙漠戈壁、长河落日；长城内山峦叠嶂、气势磅礴。他不禁联想到自己从18岁就征战沙场、一统天下的历史业绩，以及在灵州接受铁勒部落数千人酋长及使者们山呼万岁、俯首称臣的场面，心中感慨万千，诗兴油然而生，写下了一首气势磅礴的《饮马长城窟行》：
“塞外悲风切，交河已结冰。
瀚海百重波，阴山千里雪。
迥戍危峰火，层峦引高节。