诸将皆领命而去，各自整军备战。裴行俭又命人暗中联络折柳川附近的蕃族部落——金微部，金微部素与休屠部有怨，屡遭其欺凌，今见大萧大军压境，遂应允起兵相助，愿率部五千，于狼居胥谷口接应裴行俭，共袭白羊坡。
三日后，夜色如墨，云州都督依计率领前军，于折柳川正面列阵，天刚微亮，便擂鼓鸣金，大举进攻贼军前营。守营的休屠部骑兵仓促出营迎敌，双方激战半日，云州军佯装不敌，节节败退，丢下不少军械旗帜，向武塞关方向撤退。摩柯在中军帐中得知消息，大喜过望，对左右道：“吾早知南人不堪一击，今裴行俭老迈，所率大军亦不过如此，待我率主力追击，一举破其前军，直取武塞关，再长驱南下，掠取更多财货！”遂不听贺兰、居延二部可汗的劝阻，亲率两万休屠铁骑，出营追击云州军，仅留五千兵力分守七座营寨，贺兰、居延二部见摩柯出兵，亦各留少量兵力守营，主力按兵不动，坐观成败。
摩柯率铁骑追击数里，忽见前方地势狭窄，疑有埋伏，正欲下令撤军，忽闻西侧喊杀声震天，秦琼率领的幽燕突骑自芦苇荡中杀出，铁骑如潮，直扑休屠部西侧营寨。守营贼兵猝不及防，瞬间被冲垮，营寨火光冲天，喊杀声四起。摩柯大惊，方知中计，急令大军回援，却不料身后炮声轰鸣，薛万彻率领的河西步兵与神机营炮兵已掩杀而至，霹雳炮轰向贼军阵中，炸得贼骑人仰马翻，连珠弩箭如雨下，休屠铁骑阵脚大乱。
而此时，裴行俭已率领神策军铁骑，在金微部的接应下，顺利穿过狼居胥谷，直抵白羊坡。白羊坡的守粮贼兵仅有三千，见大萧大军从天而降，吓得魂飞魄散，仓促抵抗。裴行俭一声令下，神策军铁骑分两翼包抄，金微部蕃兵从正面冲杀，守粮贼兵不堪一击，片刻之间便被击溃，裴行俭下令火烧粮草，白羊坡上顿时火光冲天，浓烟滚滚，数十万石粮秣、数万匹战马草料，尽成灰烬。
摩柯率大军回援，行至半路，见白羊坡方向火光冲天，心知粮草被焚，魂飞魄散，大呼：“吾中裴老贼之计矣！”正欲拼死回救，却被秦琼、薛万彻两路大军夹击，云州都督亦率部掉头杀回，三路大军合围，将休屠铁骑困于折柳川中。裴行俭亲率神策军铁骑自后掩杀，四面喊杀声震天，大萧将士个个奋勇，人人争先，秦琼手持马槊，身先士卒，连斩休屠部数员大将，薛万彻指挥炮兵，专轰贼军主帅大旗，神机营的霹雳炮在贼阵中炸开，贼骑死伤无数，阵型大乱。
贺兰、居延二部可汗见休屠主力被围，粮草尽焚，心知大势已去，为求自保，竟率部临阵倒戈，向大萧大军投降，愿随大军共讨休屠部。摩柯见众叛亲离，军心涣散，心知无力回天，只得率残骑数千，拼死突围，向黑水河浮桥方向逃去。裴行俭岂容他逃脱，下令秦琼率铁骑追击，自己则率大军清扫战场，收降降兵。
秦琼率领幽燕突骑，衔尾追击摩柯，追至黑水河浮桥边，摩柯率残骑正欲过桥，秦琼飞马赶上，大喝一声：“摩柯贼子，哪里走！”一槊刺出，正中摩柯左肩，摩柯惨叫一声，跌下马来，被秦琼麾下军士生擒活捉，其余残骑见主帅被擒，纷纷弃械投降。
至此，折柳川一战，大萧北征军大获全胜，斩首一万余级，生擒休屠可汗摩柯及部将数十人，收降贺兰、居延二部降兵一万五千余人，缴获战马两万余匹，军械无数，被劫掠的边民数千口，皆被解救，送回原籍。黑水河沿岸的三座烽燧，亦被收复，裴行俭下令重修烽燧，留兵驻守，又命人将摩柯等俘虏，押解回京，听候天子发落。
折柳川大捷的军报，八百里加急飞递入京，天子萧衍览报大喜，于朝堂之上宣读捷报，百官齐声恭贺，天子道：“裴行俭老当益壮，用兵如神，一举荡平北狄三部，扬我大萧军威，此乃国之幸事！”当即下旨，晋封裴行俭为代国公，食邑三千户，秦琼、薛万彻等将各有封赏，云州都督亦官复原职，加赏金百两；对投降的贺兰、居延二部，赦其罪，仍许其与大萧互市，令其归还劫掠的边民财物，永为藩属，不得再犯；对休屠部，废其可汗，将其部众分迁于云州、朔方境内，由大萧官吏管辖，令其耕牧为生，不得再聚族为乱。
北境的烽烟，转瞬之间便被平定，折柳川一战，不仅重创了北狄的势力，更让周边诸蕃见识到大萧的军威，此后数月，西域、东