並未料到蘇定方會來得如此之快，因此被輕鬆擊潰。此時處木昆部酋長俟斤（俟斤是突厥貴族的官銜）懶獨祿等人懾於唐軍軍威率萬餘帳部眾來降，對於蘇定方來說這可謂是及時雨，他馬上從中徵發了千餘人的突厥騎兵加入遠征軍的行列，以補充自己軍隊實力的不足。

可是閃電戰可一不可二，突厥人是遊牧民族，在馬上馳騁是他們基本的生存技能，因此處木昆部的漏網之魚很快就將唐軍的資訊通報給了阿史那賀魯。而阿史那賀魯去年剛剛領教過一次唐帝國遠征軍的威力，自然時時枕戈待旦，防備遠征軍再來，因此在短時間內便調集了兩廂十姓突厥的十萬騎兵進行反擊。兩軍主力會戰於曳咥河（今新疆額爾齊斯河）西平原之上，此時敵我兵力極為懸殊，形勢異常險惡，但是把不可能變成可能才配稱為一代名將，蘇定方完美地展現了這一點。根據當時的情況，他命步兵以密集長矛陣死守南原高地以吸引敵軍注意力，自己率漢軍騎兵埋伏於北原。此時阿史那賀魯眼見唐軍兵少，並且盡為步兵，果然上當，便集中騎兵主力將之團團圍住，四面攻殺。此時唐軍訓練有素，鬥志高昂，死戰不退，沙缽羅三衝南原而未逞，蘇定方乘勢率騎兵從側面發起突擊，西突厥軍猝不及防，由是大敗，蘇定方領軍追殺三十里，俘斬三萬餘人，殺其部眾首領都搭達乾等二百人。次日唐軍乘勝追擊，這時候突厥軍人心散亂，無人敢戰，西突厥中的胡祿屋等部舉眾歸降，阿史那賀魯與兒子女婿以及處木昆屈律啜等人僅率數百騎向西狼狽逃竄。

與此同時，南路遠征軍進展亦是所向披靡，尤其在阿史那賀魯兵敗之後，南道西突厥部眾均言：“我舊主也。”紛紛歸降於阿史那步真，唐軍前景一片光明。

當然蘇定方並沒有因此滿足，他既為李靖門徒，自然也學得了李靖“痛打落水狗”的真傳，決不讓敵人有機會東山再起，因此蘇定方令副將蕭嗣業、回紇婆閏率雜虜兵順著邪羅斯川（哈拉蘇，今新疆奎屯河中游）窮追，他本人與任雅相領新附兵尾隨。

此時天降大雪，地面平地積雪達二尺，行軍極其困難，彷彿老天都在阻止唐軍繼續追擊。此時眾將官均向蘇定方請求等天晴再行軍，但蘇定方卻說：“敵人就是憑藉這場大雪才停住了逃跑的腳步，認為我軍肯定不能再進行追擊，如果我們現在休息了他們便會逃得更遠，再想追那就晚了。”因此不但否決了部下的建言，甚至命令晝夜兼行，更加快了行軍的腳步。

北路遠征軍在蘇定方的率領之下一邊急行軍，一邊收容沿途的突厥部眾，終於在雙河（今新疆博樂）與阿史那彌射、步真的南路軍會師。

此時阿史那彌射已經擊潰了在此築柵防守的西突厥大將步失達幹，唐南北路軍會師之後士氣大漲，又飽食回覆體力之後再次開始急行軍。就在不懈的追擊之下唐軍終於摸到離金牙山（今中亞塔什干東北）阿史那賀魯牙帳還有兩百里的地方。

此時遠征軍整好了因急行軍而有些散亂的隊伍，排出了整齊的方陣向敵軍老巢發起了猛攻。而阿史那賀魯卻因為大雪而放鬆了警惕，在收攏了散落的部眾之後便要進行狩獵以獲取食物，絲毫沒有防備，結果被唐軍攻入牙帳，斬俘數萬人，鼓纛器械等繳獲無數。

阿史那賀魯與其子咥運、婿閻啜等部眾只得騎馬浮過伊麗水（今伊犁河）逃往石國（今烏茲別克塔什干）西北之蘇咄城。而蘇定方依然不依不饒，領軍窮追，在碎葉水（今吉爾吉斯斯坦楚河）又一次將阿史那賀魯追上，徹底征服了他的部眾，此時阿史那賀魯除了極少數親隨之外已經再無任何依靠。對於已經如光桿司令般地阿史那賀魯，蘇定方另派了蕭嗣業和阿史那彌射的兒子元爽繼續追捕，自己終於率領主力勝利回師。

阿史那賀魯逃到蘇咄城時，城主伊沮達官自然不敢收留，將其抓獲後送到了石國王都，此時蕭嗣業恰巧追擊到此，於是轉手便綁送給了唐軍。顯慶三年（658年）十一月，伊麗道行軍副總管蕭嗣業擒阿史那賀魯至京師，十五日獻俘於昭陵，十七日告於太社，而後釋而不殺。

唐帝國於是在西突厥故地設定漾池、昆陵二都護府，以阿史那步真、阿史那彌射為都護，分統其十姓各部。蘇定方在西域又開通道路，設定郵驛〔　通訊和交通旅行系統），掩埋戰爭中枉死者的屍骨，瞭解並解決突厥部眾的急切困難，劃定各部的牧區疆界，恢復正常生產；凡是被阿史那賀魯等人掠賣為奴隸的，全都清查出來釋放回家，使得十姓安居樂業為西域的穩定作出了極大的貢獻。

自此西突厥汗國壽終正寢，而蘇定方亦一戰成名，他同消滅掉*厥帝