梁师都亲来救援，正中段德操下怀。结果，梁师都的兵马，刚到石堡城，事先埋伏好的唐朝边军，从四面八方冲杀出来，猛攻梁师都部。一场血战下来，唐军大获全胜，梁师都惨败。最终，梁师都只得带领仅仅十六名骑兵，狼狈逃离。而后，唐军一鼓作气，趁势攻克石堡城。
唐军在段德操的指挥下，大破梁师都，攻克石堡城，军心士气大振。就在此时，唐高祖李渊从长安派来援军，前来为段德操助阵。本来，唐军新破梁师都，加上长安派来援军，段德操一时底气十足。因此，段德操打算乘胜出击，彻底灭掉梁师都。于是，段德操集结边军将士，兵锋直指梁师都的大本营——夏州。
前文说过，夏州治所统万城，是一座固若金汤，坚不可摧的军事重镇。所以，段德操若要拿下夏州，必须要攻破统万城。当时，统万城分为东、西两部分。梁师都将大部分精锐，全部集中于东城。
因此，段德操指挥唐军，全力进攻东城。唐军将士奋力攻城，舍生忘死，终于攻下东城。东城被唐军攻克，梁师都率领数百残兵，被迫退守西城。拿下东城后，段德操转而进攻西城。直到此时，梁师都仍然冥顽不灵，困兽犹斗，顽强抵抗。故而，唐军一时攻击受阻，无法迅速拿下统万城。
偏偏又在这个时候，梁师都故技重施，向老大哥突厥求救。不久，突厥的颉利可汗，亲率一万精骑，驰援夏州统万城。突厥增援梁师都，形势瞬间对唐军极端不利。夏州一时无法攻克，突厥援兵又到。如果不能快速结束战事，唐军很有可能陷入突厥、梁师都的双面夹击之中，不能抽身。
最后，经过深思熟虑，远在长安的唐高祖李渊，作出了一个决定，撤兵。唐高祖下诏给段德操，命他率军及时撤出夏州。在唐高祖看来，此次针对梁师都的军事征讨，取得了应有的效果，歼灭了梁师都的大部主力。现在，夏州久攻不克，又碰上了突厥大军。此时此刻，唐军绝不能和突厥纠缠，撤兵是最明智的抉择：
庚辰，延州道行军总管段德操击梁师都石堡城，师都自将救之；德操与战，大破之，师都以十六骑遁去。上益其兵，使乘胜进攻夏州，克其东城，师都以数百人保西城。会突厥救至，诏德操引还。 《资治通鉴
梁师都依靠突厥势力，再次有惊无险地度过一关。唐朝此番征讨梁师都，尽管战果丰硕，可由于突厥的插手，还是没能攻克夏州，消灭梁师都。但是，另一个方面，这次征讨梁师都，唐军重创其主力，令其羽翼尽折。
安全度过一关后，梁师都竟然开始忘乎所以，自己给自己挖坑。在这之后，梁师都的一个愚蠢行为，致使其内部的军事实力，迅速直线下滑，部下纷纷叛离，为他的灭亡埋下了隐患。
起初，稽胡大帅刘仚成与唐朝为敌，经常骚扰唐朝腹地。后来，太子李建成率军征讨，击破稽胡部众。没有办法，稽胡贼帅刘仚成率领部众，前来投靠梁师都。实际上，也就是找一个靠山。
然而，刘仚成一来，梁师都见到稽胡人数众多，内心非常不安。他担心，万一有一天，刘仚成率众反水，会对自己构成威胁。最后，梁师都听信谗言，随便找了个由头，杀死了刘仚成。
刘仚成率众来投，结果，竟然遭到了梁师都的无端怀疑，惨遭毒手。梁师都此举，简直愚蠢到了极点。不仅稽胡部众群情激奋，就连梁师都的一些部下，也看不下去了，人人自危。故而，梁师都许多部下，相继叛离出走，投降唐朝。比如，武德六年623年三月，梁师都部将贺遂、索周二人，率领所部十二州之地，归降唐朝。
梁师都冤杀刘仚成，激起内部公愤，不少人对他失望透顶，纷纷叛离投唐。应该说，梁师都的这个举动，作茧自缚，自己削弱了自己的军事实力，让他逐渐陷入了四面楚歌，孤掌难鸣的困境。
估计，杀了刘仚成后，梁师都就后悔了，他也意识到了自己兵势的衰弱。亡羊补牢，为时不晚，现在补救还来得及。如何补救呢？梁师都也是江郎才尽，拿不出什么新花样来，还是老掉牙的伎俩，依附突厥。
经过数次与李唐的交锋惨败，以及杀死刘仚成带来的负面影响，梁师都清楚地意识到，自己的实力，大不如前，不可能主动再和唐朝交手，那样只会败得更惨。所以，当务之急，紧紧跟着老大突厥的步伐，抱住突厥的大腿，压制唐朝，在梁师都眼中，才是最正确的，才能立于不败之地。
在时局不利的情况下，梁师都频繁地求助于突厥，煽阴风，点鬼火，怂恿突厥入侵唐朝内地。受到梁师都的一番挑拨、撺掇，此后数年，突厥时常由河套地区南下，侵略唐朝腹地，令唐王朝头疼不已：
师都势蹙，乃往朝颉利，为陈入寇之计。自此频致突厥之寇，边州略无宁岁。颉利可汗之寇渭桥，亦师都计也。 《旧唐书·梁师都传
其实，梁师都怂恿突厥入侵唐朝腹地，还有另外一层深意，那就是让唐朝转移目标，让李唐转移注意力，全部集中在抵御突厥的战事，从而放轻对梁师都的重视。趁着这段时间，梁师都也好苟延残喘，夹缝求生。
在梁师都的撺掇、怂恿，甚至是带路之下，此后数年间，突厥多次入侵唐朝，甚至一度兵临长安城下，对唐朝构成了严重的威胁。这其中，也有梁师都的一份“功劳”。关于突厥入侵唐朝，后文会马上写到，在此不多赘述。
完全依附突厥，突厥让他干什么就干什么，绝不违背突厥的意愿，是梁师都多年以来总结出的一条生存法则。梁师都狭隘地认为，只要抱紧突厥的大腿，甘愿做突厥人的附庸，就能在乱世中存活下去。
这种做法，在短时间内，或许是个存身之策；但是，历史的事实证明，这绝非长久之计。说得难听一点，梁师都就是突厥的一条狗。一旦失去了利用价值，突厥便会瞬间将他弃如敝履。当初的刘武周、宋金刚，势力那样强盛。结果，突厥一朝翻脸，说杀就杀，前车之鉴不远。
更何况，梁师都自以为依附于突厥，就可以永保太平，其实不然。倘若有一天，突厥的保护伞轰然倒塌，仅凭梁师都占据的微薄领地，又能支持多久？迟早有一天，有人会挥起斧子，砍倒突厥这棵大树，这正是李唐王朝。
明眼人都看得出来，唐朝与突厥之间的战争，不可回避，终会爆发。基本扫平国内割据势力之后，解决突厥问题，成为了唐王朝边防的重中之重。此时的唐王朝，不再对突厥处处隐忍，逐渐强硬起来。
自从武德七年624年开始，唐王朝基本实现了对南、北地区的统一，相继消灭了国内的割据势力，统一战争接近尾声。所以，抵御突厥入侵，成为了武德后期的主要国防问题。由于突厥连年入侵，唐王朝的大量兵力，全部用于抵抗突厥进攻，双方一直处于互不相让的状态。
直到唐太宗李世民即位后，突厥更是变本加厉。比如，李世民即位的当年，突厥在梁师都的引领下，大军南下，深入唐朝腹地，直逼长安，算是给唐太宗登上皇位的一份“大礼”。因此，唐太宗对突厥的忍耐，到达了极限，决定用武力解决突厥问题，以军事手段，征服这个草原霸主。
既然决定与突厥正式展开决战，唐太宗首先要做的，就是逐一拔掉依附于突厥的割据势力，扫除出兵突厥的障碍。比如，贞观元年627年，经过反复劝降、争取，依附突厥，割据于恒安镇今山西大同东北古城的军阀苑君璋，主动归降唐朝。到了贞观二年628年，唐太宗正式决定，一举消灭长期盘踞朔方的梁师都。
唐太宗决定消灭梁师都，是经过深思熟虑，极具战略眼光的考虑。梁师都占据陕北高原、河套地区，与突厥相互勾结，对唐王朝构成了严重的军事威胁。并且，梁师都经常作为向导，引突厥大军从河套南下，入侵唐朝内地。所以，在唐朝眼中，梁师都已经被列入“头号战犯”的黑名单中，必须坚决铲除。
另一方面，唐太宗决定向突厥亮剑，就必须先要灭掉梁师都。如果要与突厥决战，先要出兵攻灭梁师都。消灭梁师都，对于唐朝用兵突厥而言，主要有两点好处，可以达到事半功倍的效果。
第一，消灭梁师都，则能将陕北高原、河套平原牢牢掌控在大唐手中，有了这两处要地，唐朝便可有效地组织兵力，拦截突厥大军南下，不至于像从前那样被动，让突厥大军深入腹地。
第二，如果能够一举攻灭梁师都，拿下陕北高原、河套平原。届时，唐朝便能以这两地为支点，打造成出兵反攻突厥的桥头堡。那样一来，将来唐军出兵攻打突厥，会顺畅容易许多。
无论怎样，唐太宗决心已定，集结大军，准备随时出击，消灭梁师都这个统一战争中的最后一个敌人。为了能够做到毕其功于一役，干净彻底地消灭梁师都，唐太宗分别从梁师都的内部、外部，双管齐下。
首先，唐太宗采取了先礼后兵的做法，招降梁师都。自从冤杀刘仚成后，梁师都政权内部人心浮动，兵势日益衰弱。事实上，对于梁师都的虚弱，唐太宗李世民一清二楚。所以，唐太宗还是希望以和平的方式，不费一兵一卒，解决梁师都。于是，唐太宗传谕夏州，希望梁师都认清形势，主动献地降唐。
但是，梁师都简直顽固到了极点。在他看来，自己和唐朝打了这么多年的仗，而且多次勾结突厥，入侵唐朝内地。所以，梁师都认为，自己一旦降唐，肯定没有好果子吃，必死无疑。因此，梁师都打定主意，拒绝了唐太宗的招降，坚决不肯降唐，准备顽抗到底，反正还有突厥支持自己。
很明显，梁师都已经表明了态度：拒不降唐。唐太宗觉得，自己也算做到了仁至义尽，是梁师都你自己没有珍惜。和平招降梁师都，显然是不可能的事情。接下来，唐太宗打算采用军事手段。
贞观二年628年四月，唐太宗命夏州都督长史刘旻、司马刘兰成，率军袭扰夏州，算是为唐军主力总攻夏州打前站。刘旻、刘兰成二人，抵近夏州后，采取了军事、政治两手抓的策略。
一方面，刘旻、刘兰成派出小股部队，四面出击，袭扰梁师都所部兵马驻地。例如，待夏州庄稼成熟之际，唐军轻骑出动，践踏粮田，蹂躏庄稼，致使夏州城内粮食短缺，军民食不果腹，饥肠辘辘，人心愈发浮动。
另外一个方面，唐将刘旻、刘兰成二人，巧施离间计，导致梁师都内部君臣互相猜忌，上下离心。如何巧施离间计呢？刘旻、刘兰成下令，将擒获的梁师都将领、部下全部释放回去。他们这样做的目的，就是要离间梁师都内部关系，令其君臣互相生疑。果然，对于这些平安回来的部将，梁师都产生了怀疑，认为他们已经成为了唐军的细作。
恰恰就在此时，又出现了“天狗坠其城”的异常天象。所以，梁师都手下的许多人都以为，这是上天示警，梁师都大势已去，不可长久。故而，梁师都手下大将辛獠儿、李正宝、冯端等人，私下密谋，准备抓住梁师都，趁机投降唐军。不料，消息走漏了风声，李正宝等人一看大事不妙，纷纷向唐军投降：
颉利政乱，太宗知师都势危援孤，以书谕之，不从。遣夏州长史刘旻、司马刘兰经略之。有得其生口者，辄纵遣令为反间，离其君臣之计。频选轻骑践其禾稼，城中渐虚，归命者相继，皆善遇之。由是益相猜阻。有李正宝、辛獠儿者，皆其名将，谋执师都，事泄不果，正宝竟来降。 《旧唐书·梁师都传
可以说，这个时候的梁师都，四面楚歌，摇摇欲坠。眼看着梁师都岌岌可危，关键时刻，又有人前来“实力补刀”，谁呢？正是梁师都一直倚赖的老大哥——突厥。所谓落井下石，突厥此时也抛弃了梁师都。
先前，梁师都一直奉行依附于突厥的策略，只要自己一旦出事，突厥为了自身的利益，肯定会施以援手。然而，今时不同往日。如今的突厥，早已不是从前的突厥。梁师都四面楚歌，突厥也是一样，面临着巨大危机。
自从唐太宗贞观初年起，突厥国内政局动荡，不断发生部落叛乱，原先归附于突厥的一些少数民族部落，纷纷背离突厥，投靠唐朝。比如，唐军袭扰夏州之前，原本属于突厥附庸的契丹，在契丹酋长的带领下，脱离突厥统治，向唐王朝投诚，寻求大唐的庇护。当然，契丹只是众多部落的其中之一。
在这种情况下，突厥忙于镇压内部部落叛乱，分身乏术，对梁师都自然无暇顾及。甚至，突厥颉利可汗觉得，梁师都已然成为了突厥的一个沉重包袱。所以，当务之急，于突厥而言，唯有壮士断腕，舍弃梁师都，全力镇压部落叛乱。
不久之后，颉利可汗派遣使者，前往长安，面见唐太宗李世民，向唐太宗提出了交换条件。突厥的交换条件，其实非常简单，以梁师都交换契丹部落。意思是说，只要唐朝交出归附的契丹部落，突厥将不再干涉唐军对梁师都的用兵。实际上，突厥这是在和唐朝进行等价交换。没想到，唐太宗严辞拒绝，当众驳斥突厥使者：
契丹与突厥异类，今来归附，何故索之！师都中国之人，盗我土地，暴我百姓，突厥受而庇之，我兴兵致讨，辄来救之，彼如鱼游釜中，何患不为我有！借使不得，亦终不以降附之民易之也。 《资治通鉴
唐太宗霸气开怼，他告诉突厥使臣，契丹与你们突厥，并不是同宗同族。如今它们举族归附，大唐岂能将其弃之不顾，你们有什么资格前来向大唐索要！更何况，梁师都本就是中原之人，只不过长期窃据土地，又被你们突厥所庇护。消灭梁师都，是我们大唐内部的事情，何须你们突厥同意！
这句话说得相当强硬，唐太宗明明确确告诉突厥，大唐若是要荡平梁师都，随时都可以一战功成。其实，唐太宗这段话，是在警告突厥，你们最好不要插手，你们如果插手，那就连你们一块收拾。同时，唐太宗也是在给梁师都下最后通牒，这是大唐给你的最后机会，你好自为之。
通过这件事，唐太宗也看出了一点，突厥已经彻底放弃梁师都了。所以，直到此时，彻底消灭梁师都的时机，已经成熟了。万事俱备，只欠东风。现在，只待唐太宗一声令下，唐军便能对梁师都的势力，实施雷霆一击。
果然，没过多久，唐将刘旻上表朝廷，向唐太宗陈述夏州军情。在奏表中，刘旻陈说，梁师都元气大伤，不堪一击，朝廷此时可以大举出兵，击灭梁师都，攻取夏州。接到刘旻的上奏，唐太宗决定，正式出兵攻灭梁师都。
贞观二年628年四月，唐太宗委派右卫大将军柴绍、殿中少监薛万均二人，率领唐军主力，攻打夏州统万城，直取梁师都政权。另外，唐太宗又命夏州长史刘旻，率领一队精锐，陈兵于朔方东城，威逼梁师都，策应唐军主力。
此次，唐太宗委派进攻梁师都的两员主将，皆是军功赫赫的百战名将。其中，柴绍是唐太宗李世民的姐夫，已故平阳昭公主的丈夫，常年追随唐太宗四处征战，战绩斐然，位列“凌烟阁二十四功臣”之一，是一位地地道道的大唐开国元勋。
另一位主将薛万均，正是猛将薛万彻的哥哥，兄弟二人以勇猛善战著称，曾在罗艺麾下效力，打退过窦建德的进攻。后来，罗艺降唐，薛万均、薛万彻兄弟二人，也跟着一起降唐，在太子李建成手下效命。如今，薛万均是唐太宗委以重任的大将，此番与柴绍共同领兵，进讨梁师都。
两路唐军，对夏州步步紧逼。柴绍、薛万均率领主力，直逼夏州，刘旻则指挥偏师，筑营于朔方东城，威胁梁师都，形势对梁师都非常不利。最后，经过短暂思考，梁师都决定，先攻破刘旻所部偏师，再迎战唐军主力。
于是，梁师都引领突厥部众，出至城下，直攻刘旻所部大营。面对梁师都的主动进攻，刘旻麾下将领夏州司马刘兰成，沉着冷静，不急不躁，命令将士偃旗息鼓，坚守营寨，不与敌军正面交锋。
梁师都率兵在营外挑战，无论如何叫骂挑战，唐军纹丝未动，拒不出战。很快，梁师都所部便泄了气。到了晚上，梁师都引兵退去。看到敌军后撤，刘兰成觉得时机已到，战机稍纵即逝。于是，刘兰成率军倾巢而出，在后追击梁师都所部。结果，梁师都被打得大败，损失兵马不计其数。
原本，梁师都的计划是，趁唐军主力到来之前，先击败驻兵于朔方东城的唐军偏师，解除夏州城的威胁，再全力与唐军主力决战。没想到，事与愿违，梁师都反被唐军击败，损兵折将，只能龟缩城中，完全处于被动挨打的状态。就这样，梁师都再也无力回天，唐军将夏州团团围住。
虽然，突厥此时自顾不暇，俨然已经放弃梁师都了。但是，双方毕竟还是名义上的盟友关系。唐军大举围攻夏州，作为梁师都的主子，突厥自然不能袖手旁观，就是做做样子也行。
因此，突厥颉利可汗派出了一支兵马，前来支援梁师都。其实，突厥派兵救援，就是摆个姿态给梁师都看。当时，恰逢大雪降落，羊马冻死不计其数。所以，这样一来，突厥军队的战斗力，大打折扣。
当柴绍、薛万均两员大将，率领唐军主力，行至距离统万城数十里的地方时，与前来救援的突厥大军，狭路相逢。遭遇突厥大军之后，柴绍、薛万均迅速指挥唐军，奋力出击，向突厥军队发起猛攻。最终，在唐军将士的强悍冲杀之下，突厥军队兵败如山倒，四散而逃，被迫撤围退去。随后，唐军顺势围住朔方，展开猛烈攻势。
经过救援梁师都的大败，突厥遭遇重创，也清楚地意识到，唐军对梁师都志在必得，便再也不敢前去救援。没了突厥的救援，梁师都彻底成为了一颗弃子，无人问津，城破覆亡是迟早之事。
不过，到了这个地步，梁师都依旧不肯认输，率部负隅顽抗。不久，朔方城中粮食耗尽，变得岌岌可危起来。人心惶惶之下，梁师都的堂弟梁洛仁，发动兵变，斩杀了梁师都，然后举城投降。而后，唐军攻占朔方。朝廷擢升梁洛仁为右骁卫将军，封朔方郡公，以梁师都所占之地为“夏州”：
师都引突厥兵至城下，刘兰成偃旗卧鼓不出。师都宵遁，兰成追击，破之。突厥大发兵救师都，柴绍等未至朔方数十里，与突厥遇，奋击，大破之，遂围朔方。突厥不敢救，城中食尽。壬寅，师都从父弟洛仁杀师都，以城降，以其地为夏州。 《资治通鉴
至此，梁师都政权正式宣告灭亡，唐王朝一举拿下了陕北高原、河套平原的大片领地，拔掉了大唐开国的最后一枚钉子，取得了统一战争的最后胜利。
梁师都从起兵到最后灭亡，前后历时十二年，贯穿于整个唐初统一战争始末，算是隋末唐初存在时间最长的一个割据群雄，却最终难逃灭亡的命运，官方史书中，这样评价梁师都等人的灭亡：
沈法兴狂贼，梁师都凶人，皆至覆亡，殊无改悔。自隋朝维绝，宇县瓜分，小则鼠窃狗偷，大则鲸吞虎据。大唐举义，兆庶归人，高祖运应瑶图，太宗天资神武，群凶席卷，寰海镜清，祚享永年，功宣后代，谥曰神尧、文武，岂不韪哉！ 《旧唐书·梁师都传
经过十年努力，截至贞观二年628年，李唐王朝终于扫平群雄，一统天下，实现对全国的统一，正式迈向了一个强大、昌盛的大一统王朝。事实证明，历史选择了李家，选择了大唐王朝。
但是，话说回来。攻灭梁师都政权，并不是唐朝的最终目标。唐朝的最终目标，是要以消灭梁师都为跳板，扫平出兵突厥的军事障碍，大规模对突厥实施武力征讨。那么，在此期间，唐朝与突厥之间，到底发生了怎样的军事博弈？唐朝最终又是如何打败老对手突厥，将大唐旌旗插到塞北草原之上？