冬季十月，单于大都护府突厥阿史德温傅、奉职两部一同反叛，拥立阿史那泥熟匐为可汗，二十四州的酋长都反叛响应，部众达数十万人。朝廷派遣鸿胪卿单于大都护府长史萧嗣业、右领军卫将军花大智、右千牛卫将军李景嘉等人领兵讨伐。萧嗣业等人起初作战多次获胜，因此放松了防备；恰逢天降大雪，突厥人夜间袭击他们的军营，萧嗣业狼狈地拔营逃走，军队大乱，被突厥人击败，死亡人数不计其数。花大智、李景嘉率领步兵边战边退，得以进入单于都护府。萧嗣业被减免死罪，流放到桂州，花大智、李景嘉都被免职。
突厥人侵犯定州，刺史霍王元轨下令打开城门、放倒旗帜，突厥人怀疑有埋伏，畏惧地连夜逃走。州人李嘉运与突厥人勾结，事情败露后，皇帝命令霍王元轨彻底追查他的同党，霍王元轨说：“强敌就在边境，人心不安。如果逮捕太多人，就是逼迫他们反叛。”于是只杀了李嘉运，其余的人一概不问，并上书弹劾自己违反诏令。皇帝看到奏表后非常高兴，对使者说：“我也后悔了，要是没有霍王，定州就保不住了。”从此朝廷有大事，皇帝大多秘密下诏询问霍王元轨的意见。
壬子日，派遣左金吾卫将军曹怀舜驻守井陉，右武卫将军崔献驻守龙门，防备突厥。突厥人煽动引诱奚、契丹侵犯营州，都督周道务派遣户曹始平人唐休瓃领兵击败了他们。
庚申日，皇帝下诏因突厥背叛，停止嵩山封禅大典。
癸亥日，吐蕃文成公主派遣大臣论塞调傍前来报丧，并请求和亲，皇帝派遣郎将宋令文前往吐蕃参加赞普的葬礼。
十一月戊寅朔日（初一），任命太子左庶子、同中书门下三品高智周为御史大夫，免去他的宰相职务。
癸未日，皇帝宴请裴行俭，对他说：“你兼具文武才能，现在授予你两个官职。”于是任命他为礼部尚书兼检校右卫大将军。甲辰日，任命裴行俭为定襄道行军大总管，率领十八万兵力，连同西军检校丰州都督程务挺、东军幽州都督李文暕的部队，总计三十多万人讨伐突厥，全部受裴行俭指挥调度。程务挺是程名振的儿子。
永隆元年庚辰（公元680年）
春季二月癸丑日，皇帝前往汝州的温泉；戊午日，前往嵩山处士三原人田游岩的住所；己未日，前往道士宗城人潘师正的住所，皇帝、天后和太子都向他行礼。乙丑日，返回东都洛阳。
三月，裴行俭在黑山大败突厥，擒获突厥酋长奉职，可汗阿史那泥熟匐被他的部下杀死，部下将他的头颅献上投降。
起初，裴行俭行军到朔川时，对部下说：“用兵之道，安抚士兵贵在真诚，制服敌人重在欺诈。前些天萧嗣业的粮草被突厥人劫掠，士兵们又冻又饿，所以战败。如今突厥人必定还会用这个计谋，应当用欺诈的手段对付他们。”于是伪装了三百辆粮车，每辆车中埋伏五名壮士，各自手持陌刀、强弩，派数百名瘦弱的士兵护送，同时在险要之地埋伏精兵等待突厥人；突厥人果然前来，瘦弱的士兵丢弃粮车四散逃走。突厥人驱赶粮车前往有水草的地方，解下马鞍让马吃草，准备取车上的粮食，这时车中的壮士跃出，袭击突厥人，突厥人惊慌逃走，又遭到埋伏的精兵拦截，几乎全军覆没。从此，运送粮草的队伍，突厥人再也不敢靠近。
军队抵达单于府以北，天色已晚，扎下军营，壕沟已经挖好，裴行俭突然下令将军营转移到高冈上；将领们都说士兵已经安顿好，不能再移动，裴行俭不听，催促士兵转移。当天夜里，狂风暴雨突然降临，之前扎营的地方，积水达一丈多深。将领们又惊又服，问他原因，裴行俭笑着说：“从今以后只管听从我的命令，不必问我是怎么知道的。”
奉职被擒获后，残余的突厥人逃到狼山坚守。皇帝下诏命令户部尚书崔知悌乘坐驿车前往定襄慰问将士，并且处理残余的贼寇，裴行俭率领军队返回。
夏季四月乙丑日，皇帝前往紫桂宫。
戊辰日，黄门侍郎闻喜人裴炎、崔知温，中书侍郎京兆人王德真一同担任同中书门下三品。崔知温是崔知悌的弟弟。
秋季七月，吐蕃侵犯河源，左武卫将军黑齿常之击退了他们。朝廷提拔黑齿常之为河源军经略大使。黑齿常之认为河源是战略要地，想增兵戍守，但运输粮草的道路艰险遥远，于是广泛设置七十多座烽火台和戍所，开垦五千多顷屯田，每年收获五百多万石粮食，从此作战和防守都有了储备。