第二次北征的时间选定在高宗开耀元年（681年）的三月，这时是晚春，是有利于进军的一个时节。史书上没有记载这次出征唐军出动了多少兵力，但是可以肯定的是要少于第一次远征。在第一次远征中除了裴行俭直辖的十八万军队之外，还有程务挺与李文暕两路大军共计十二万人，而这次远征中，程务挺、李文暕的兵团已经编入裴行俭的直辖兵团中，没有其他的协攻兵团。
右武卫将军曹怀舜与裨将窦义昭作为先锋部队，率先进入突厥作战。曹怀舜刚迈出边界，就打听到了一个小道消息，称突厥可汗阿史那伏念与阿史德温傅两人正在黑沙北，而且随身跟从的骑兵不足二十名。
曹怀舜听到这个消息后，大喜过望，也来不及证实消息的准确性，便将部队中老弱官兵留下，自己则亲率精锐轻骑兵，急速奔往黑沙，企图一举将突厥最重要的两名头目生擒，抢得北征第一功。
可是这则情报来源的真实性很值得怀疑，曹怀舜赶到黑沙时，发现这里一个突厥人的影子也看不到，倒是累坏了这些急行军的骑兵。既然找不到敌人可以打击，曹怀舜只得悻悻而回。
不过曹怀舜的运气不错，也没有空手而归，他在半途中正好遇上铁勒族薛延陀部落的人马南下，薛延陀自从在唐太宗时代被灭国之后，其部落一蹶不振，这次可能是受到突厥的恐吓，准备归附突厥人。遇到曹怀舜的唐军之后，薛延陀部落首领改变了主意，索性向曹怀舜投降。这样曹怀舜便捞得了一个大便宜，同时为裴行俭的远征大军清除了一个潜在的敌人。
既然找不到突厥的主力，曹怀舜便率军南返，在长城以北附近，遇上了阿史德温傅的突厥军，双方打了一场小仗。这只是试探性的战斗，双方伤亡都不大。这时第二梯队的唐军也越过长城，第二梯队是李文暕及其裨将刘敬同统领，与曹怀舜在横水会师。
此时，自立为突厥可汗的阿史那伏念率主力兵团也出现在横水附近，与阿史德温傅的兵团会合，开始向唐军发动进攻，这两支军队，是突厥反叛的核心力量。
曹怀舜与李文暕马上将军队组合成方阵，与突厥军队交战。
此时曹怀舜部因为刚刚远距离跋涉，兵疲马困，战斗力发挥不出来，打得十分被动，还好唐军的方阵防御很坚强，突厥骑兵一时也找不到突破口。
唐军且战且退，突厥人紧咬不放，苦战了一天。
就在突厥兵力倾巢而出时，其后方防卫非常薄弱。
老谋深算的统帅裴行俭暗中派遣裨将何迦密从通漠道进军，程务挺从石地道进军，直取阿史那伏念的老巢金牙山。金牙山的突厥守军力量十分薄弱，完全不是唐军的对手，很快便被击垮，阿史那伏念的妻子、儿子全部被唐军所俘虏，辎重粮草也尽数落入唐军之手。
此时突厥可汗的后院已经丢失，只要曹怀舜可以顽强地顶住突厥人的进攻，等待何迦密、程务挺两路大军回援，必可以前后夹击，大破突厥军。但是没想到关键时候，曹怀舜信心动摇，抛下部队，撒腿就跑，要知道军队的士气，很大程度上是由主将带动的，主将自己跑了，战士们怎么打仗？结果军心大乱，其余几位将军也没法控制。
突厥人见状，更加猛烈地攻击，唐军防线全线崩溃，死伤无数。
曹怀舜没头没脑鼠窜了半天，终于缓过劲来，这才想起来自己是前线总指挥，想起自己那位严厉的上司与统帅裴行俭，心中一震，不行，不能这样一走了之。他总算还记得要收拾残兵，于是又往回走，与溃败的唐军残部会合。
突厥可汗阿史那伏念的追兵已经逼近，紧追不舍，而唐军一片混乱。怎么办？曹怀舜狗急跳墙，下令把军中的金帛搜刮一空，然后派人前去贿赂阿史那伏念。
事实证明阿史那伏念也是平庸之辈，见到这么多的金帛，怦然动心，遂答应曹怀舜议和，收了钱财，停止了追击。可是他也不想想，这些钱财，他有福消受吗？
等到阿史德温傅的军队赶到时，唐军已经跑远了。阿史德温傅见阿史那伏念的兵团原地不动，一腔怒气对可汗说：“你怎么让唐军从眼皮底下溜走呢？”阿史那伏念不紧不慢地回答：“我已经跟他们的将领议和了。”阿史德温傅一眼瞥见可汗账中堆砌的金帛，怒气冲冲地拂袖而去，边走边骂道：“竖子不足与谋！”
突厥的两大巨头关系开始恶化，这对突厥的复国大业，是一大危险。
吃了大败仗的曹怀舜回到军营，士兵们个个无精打采、灰头土脸的，一进入统帅的营帐中，曹怀舜一抬头，便看到裴行俭那双充满杀意的眼睛。裴行俭大喝道：“来人啊，将曹怀舜拿下！”曹怀舜吓得两脚发软，“扑通”一声跪倒在地，裴行俭指着他怒斥道：“你身为前军总指挥，居然临阵弃兵而逃，我大唐立国数十年，何曾有过你这样的将军？”
曹怀舜被押解回长安城中，交由有司审判，被判处死刑。不过最后，一向以慈仁著称的唐高宗还是网开一面，赦免了他的死刑，改判为流放岭南。
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