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出征将领在出征前向李世民辞行时，李世民告诫他们:
“薛延陀依仗着他们兵力强盛，从塞北穿越沙漠到塞南，行军数千里路，人马已经疲惫不堪，成为强弩之末。大凡用兵之道，见到战势有利就迅速进军，不利就火速退兵。薛延陀想趁着突厥李思摩不防备进行闪击战，结果还是让李思摩逃进长城，顿兵于长城坚墙之下，把闪击战打成消耗战。薛延陀此刻应迅速撤兵全身而退。
朕已经敕命李思摩烧毁牧草，实行坚壁清野，则薛延陀人的粮草日渐吃尽，又不能及时补充粮草。前线的探马来报，说薛延陀的军马已将林中树皮啃食待尽，你们应该与突厥李思摩成犄角之势牵制敌人，以逸待劳，待薛延陀人粮草已尽将要退却时，一鼓作气地奋勇追击，定会大获全胜。”
八月十七日，大唐五路十五万唐军正在向白道川（今内蒙古呼和浩特）集结，先期到达的是李积率领着唐军主力步兵六万人、骑兵一千二百人；及薛万彻率领的六千骑兵。袁天纲作为宣威将军跟随李积出征。
当行军到距离诺真水五十余里时，大风突然刮起，一团黑雾如同一堵墙从白道川方向压过来，将唐军全部笼罩在里面。
李积向袁天纲问道：
“这团黑雾压过来，预示着什么？”
袁天纲说道：“这是薛延陀军队将与我军相遇的征兆。南北朝时期，后燕太子慕容宝在参合陂进军时，也遇到这样的黑雾，结果不久就遇到拓跋珪率领的北魏大军，他因疏忽大意而导致后燕八万大军全军覆没。我建议应该不等唐军集结，率领现有的六万七千余唐军主力积极备战。”
“薛延陀军队全部都是骑兵，我们唐军主力仅有七千余骑兵，剩余六万人全是步兵，以步兵对付骑兵，肯定要吃大亏。” 李积说道。
“我曾出使薛延陀，看到过他们军队操练，他们的打法跟突厥人完全不同，就是把骑兵当步兵用。” 袁天纲说道。
“什么是把骑兵当步兵用？” 李积问道。
“薛延陀的战法是：使五人编成一个组，一人牵着马，四人在前边作战，战胜的时候就骑上马追击。我们可以采取田忌赛马的战术，在正面用步兵对付薛延陀的步兵，再派出骑兵迂回到薛延陀步兵的后侧，寻找他们的军马聚集地，将他们的军马抢夺走。” 袁天纲献策道。
“此计甚妙！不过，听闻薛延陀的步兵战斗力非常强，李思摩乃突厥名将，他率领的突厥骑兵都打不过薛延陀的步兵方阵。” 李积有所担忧地说道。
“俗话说：兵器一寸长一寸强，薛延陀步兵的兵器是突厥弯刀，我们唐军步兵的兵器是四米长的马槊，可以采取马其顿方阵打败他们。” 袁天纲说道。
“什么是马其顿方阵？” 李积问道。
“九百多年前，西方希腊的亚历山大大帝曾使用马其顿方阵战术横扫西方世界。马其顿方阵的核心是由身穿重铠、手持长矛的重装步兵组成的方阵。重装步兵站成密集的长矛阵形，紧密地排成数行，在前方构成坚不可摧的长矛墙。方阵的前排通常由重装步兵组成，中间由身穿软铁甲的轻装步兵、弓箭手组成，后方则由更多的轻装步兵来保护方阵。
马其顿方阵的战术是以重装步兵为核心，通过前方的长矛组成一道坚不可摧的屏障来保护方阵。同时，在阵形两侧和后方都有轻装步兵和弓箭手，他们的作用是：在敌人试图从侧面攻击方阵时，负责保护方阵两侧的轻装步兵，用射箭和投掷长矛来防卫马其顿方阵侧翼。”
李积听罢袁天纲的马其顿方阵战术，心想：“此法是克制薛延陀步兵的最佳战术，看来袁天纲这个当代诸葛孔明名不虚传。”
于是，李积传令下去，全军快速向白道川进发，约摸走了一个时辰，将到达白道川时，与大度设率领的三万薛延陀骑兵主力不期而遇。
大度设一见到大批唐军蜂拥而来、尘埃涨天、绵亘数十里，他未战而胆怯，不敢正面交手就从赤柯泺向北撤退。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。