贞观二年（628年），唐太宗李世民派右卫大将军柴绍和薛万彻之兄、殿中少监薛万均为主将，派薛万彻为副将，统率大军，征讨割据西北的梁师都。梁师都利用突厥兵的帮助，在唐朝军队进到距梁师都的朔方城（朔州，今陕西靖边东北的白城子）几十里的地方时，突厥援军突然从四面围攻而来，迫使唐朝军队撤退，但薛万彻与薛万均却率军横向攻击突厥，斩杀突厥援军将领，帮助唐朝军队击败突厥，包围了朔方城。四月二十六日，梁师都军发生内讧，梁师都被他的堂弟梁洛仁所杀，梁洛仁带领朔州全城军民投降。梁师都被消灭以后，唐朝改置其朔方城为夏州，而薛万彻因该战的功绩被封为灵州大都督。 贞观三年（629年）十一月四日，颉利可汗率军进攻河西。同月二十三日，唐太宗李世民派大将李靖、薛万彻、李勤、柴绍、李道宗、卫孝杰六总管，以李靖为统帅，领十万大军分六路反击突厥颉利可汗的进攻。在此次大战中，薛万彻跟李靖一直打到塞北，并于次年年初灭东突厥。薛万彻以功授统军，晋爵郡公。
