开皇十三年（公元593年），流民杨钦流亡至都兰可汗处，谎称彭国公刘昶与宇文氏女共谋反隋，特遣其来密告于大义公主，都兰从此不向隋朝进贡。为探听突厥动向，长孙晟奉命出使突厥。大义公主见到长孙晟后，言辞不逊，并派心腹安遂迦与杨钦煽动都兰可汗反隋。长孙晟回京后，将此事俱奏。隋文帝再次派长孙晟出使突厥，向都兰可汗索要杨钦。都兰可汗谎称：“检校客内，无此色人”（《隋书•长孙晟列传》）。长孙晟于是买通其帐下达官，探知杨钦之所在，趁夜将其抓获。公主谋反之事被揭露，都兰可汗不得已，只好将安遂迦等人拘捕，交给长孙晟带回。回京后，隋文帝大喜，为长孙晟加授开府，并遣其再次入藩，诛杀大义公主。
是年，都兰可汗向隋朝上表请婚，朝廷准备答应时，长孙晟上奏说：“雍闾反覆无信，纵与为婚，终当必叛。染干者，处罗侯之子，臣前与相见，亦乞通婚，不如许之，招令南徙，使敌雍闾。”隋文帝准其所奏。开皇十七年（公元597年），突利可汗派500骑随来迎娶安义公主，并依长孙晟率众南徙。此时都兰可汗气怒，常率部抄略隋境。突利可汗察知其动静，即派人报隋。因此都兰可汗每次入边，都因隋边境都先有防备而未能得逞。
开皇十九年（公元599年）二月，突利可汗奏报都兰可汗准备攻击大同城（在今内蒙乌拉特前旗东北）。隋文帝命汉王杨谅为元帅，尚书左仆射高颎出朔州，尚书右仆射杨素出灵州，上柱国燕荣出幽州，三路进击突厥。
都兰可汗遂与达头可汗结盟，合兵掩击突利，突利可汗大败。都兰尽杀突利的兄弟子侄，率部渡河进入蔚州。突利与长孙晟独率五骑趁夜南逃，天明时行约百余里，并收集数百名散骑。突利可汗对长孙晟说：“兵败入朝，大隋天子怎么会礼待我呢？”长孙晟知其有二心，遂派人入伏远镇（今山西大同西北）速举烽火，对突利可汗谎称：“我国家法，若贼少举二烽，来多举三烽，大逼举四烽，使见贼多而又近耳”（《隋书•长孙晟列传》）。突利可汗于是与长孙晟投城。入镇后，长孙晟留其达官执室以领其众，自带突利可汗于四月入朝。隋文帝闻后大喜，进授长孙晟左勋卫骠骑将军，持节护突厥。十月，隋册封突利可汗为启民可汗，并赐射于武安殿。启民可汗给长孙晟六支箭，发发皆中。时有群鸟飞过，隋文帝对长孙晟说：“公善弹，为我取之”(《隋书•长孙晟列传》)。结果十发皆中，鸟应丸而落。这天，百官得赏，其中长孙晟居多。
随后长孙晟在朔州西北筑大利城（今内蒙古和林格尔西北土城子）给启民可汗驻守，令其招抚突厥其他部落，前后归附者万余口，长孙晟将归附之人全部安置妥当，从此突厥归附。时安义公主已卒，长孙晟又奉命持节送宗女义成公主嫁给启民可汗。
十二月，都兰可汗被杀，其部大乱，达头可汗自立为步迦可汗。长孙晟上奏说：“今王师临境，战数有功，贼内携离，其主被杀，乘此招诱，必并来降，请遣染干部下分头招慰”（《隋书•长孙晟列传》）。隋文帝许之，都兰部果然尽来归附。步迦可汗大为恐怖，遂于开皇二十年（公元600年）率兵进犯隋边。晋王杨广与步迦可汗对峙不下，长孙晟知突厥人马均需饮用泉水，便献计在泉水上游撒放毒药。突厥人、畜饮水后多被毒死，人心惶惶，遂连夜遁逃。长孙晟率部追击，斩杀突厥千余人，俘百余口，六畜数千头。凯旋回京后，长孙晟被授上开府仪同三司，并再次还大利城，安抚新归附之众。
仁寿元年（公元601年），隋文帝诏令杨素为行军元帅，长孙晟为受降使者，援助启民可汗北击步迦可汗。军至黄河，正值突厥思力俟斤（官名）等率部袭扰启民可汗，掠走男女6000人、牲畜20余万头。长孙晟与上大将军梁默奉杨素之命率轻骑追击，转战60余里，大败突厥。长孙晟又教启民可汗分遣使者，往北方铁勒等部招抚归附，十余部背离步迦可汗。步迦可汗溃不成军，西奔吐谷浑。
长孙晟回朝后，适遇隋文帝被隋炀帝所杀，由于隋炀帝和长孙晟有过旧交，于是任命长孙晟为内衙宿卫，知门禁事，即日拜左领军将军。
大业三年（公元607年），炀帝北巡至榆林，欲出塞外，陈兵耀武。因怕启民可汗惊惧，便先派长孙晟到启民可汗部喻旨，启民可汗召所部奚、室韦等数十个部落的酋长齐集迎帝。长孙晟见杂草丛生，欲令启民可汗亲自除之，并让各部酋长看到，使之明白天子之威重。于是手指帐前之草说：“此根大香。”启民可汗闻后说：“殊不香也。”长孙晟又说：“天子行幸所在，诸侯躬亲洒扫，耘除御路，以表至敬之心。今牙中芜秽，谓是留香草耳”（《隋书•长孙晟列传》）。启民可汗这才悟其本意，遂拔佩刀，亲自除草。其余各部族长争相效之，启民可汗又命举国开御道，西起榆林，东达于蓟，长3000里，宽百步。隋炀帝听到此事，对长孙晟的办法非常赞赏。后长孙晟除淮阳太守，未赴任，复为右骁卫将军。
大业五年（公元609年），长孙晟去世，时年五十八。隋炀帝深表悼惜，赐赠甚厚。长孙晟一生同突厥交往达20余年，凭其出众的谋略，为分化瓦解突厥，保持隋北境安宁，促进民族融合作出了重大贡献。