郭孝格没有听龟兹人的好意，毕竟刚刚经历了一场血战。这一天的清晨，龟兹叛军突然发起攻击。城外唐军只有数千人，抵挡不住一万多龟兹和西突厥叛军的疯狂进攻。情急之下，郭孝恪带领手下部队迅速向城内撤退，准备据城待援。但令他没有想到的是，龟兹国相那利事先已经勾结了城内潜伏的龟兹叛乱分子，在战斗打响后，这些人里应外合立即向唐朝守军发起进攻，很快就夺取城门，并引城外叛军主力入城。
结果，当郭孝格带领唐军回到城门处时，城墙早已失守。他们遭到来自城内外万余叛军夹击，伤亡修重。郭孝恪尽管组织部队拼死抵抗，但还是寡不敌众。叛军向唐军发射箭雨，抵挡不住的唐军遭到叛军射杀。守将郭孝恪率军苦战，结果在西门壮烈殉国。叛军主力随即入城，开始四处追杀唐军和亲唐龟兹人，并占领了都城内的绝大部分地区。此时的情况万分危急。龟兹国相那利非常得意，他只等着手下向他汇报最后胜利的消息了。但接下来，一个小人物出场了，这再次改变了局面。
此时，城内已经非常混乱了，唐军的残余力量已经没有人指挥了，只能各自逃生。在这关键时刻，城中唐军的一名主管军需仓库的低级官员挺身而出，他的名字叫崔义超。他和手下几个随从到处找人，结果临时拼湊起一支二百人的武装，他们占据了城西的军需仓库，与龟兹叛军拼死作战。这些人中包括汉、突厥等多个民族。他们一个个灰头土脸，衣衫褴楼，还有些人是伤兵。龟兹国相那利听说这里久攻不下，就亲自指挥进攻唐军在都城里的最后一个据点。起初他根本没把这二百人放在眼里，认为只不过是垂死挣扎。
但他万万没有想到，他的几千人连番猛攻了整整一天，伤亡两千多人，结果硬是没能拿下这么一个小小的仓库。唐军这支由仓库保管员崔义超临时拼凑起来的只有二百人的“乌合之众”在主力惨败，城中几乎全部被叛军占领的情况下，不但保住了仓库，还杀伤了十倍于自己的敌人。更重要的是，这二百唐军拼死守住了城内一处重要战略据点，为主力随后的反击平叛，争取了极其重要的时间。当天黄昏，驻扎在周边的唐军主力到达。
曹继叔(右骁卫将军)、韩威各率所部向叛军发起凌厉攻势。经过一夜激战，折杀叛军三千多人，剩余者大多再次逃亡，整个叛军土崩瓦解。但叛军首领那利却再次逃跑，这又留下了一个隐患。那利再次出逃后还是没有死心，山南是无法立足了，他收拾散兵游勇越过天山跑到还没有被唐军平定的龟兹天山北部的领土。到达北方后，那利招集当地龟兹残军，还向西突厥求援，结果一共拼湊了一万二千人。部下反复劝说那利，用这点儿力量去和唐军抗衡无异于以卵击石，那利坚决不听劝告，半个月后跨越天山，想再次夺回都城。
唐军最高统帅阿史那社尔早料到那利一定会回来，于是命令曹继叔率万铁骑寻找并歼灭叛军。阿史那社尔在出击前嘱咐曹继叔，要求他此次出击务必扫清龟兹的最后残余势力，尤其是匪首那利，一定要除掉他。龟兹叛军刚刚进入山南，唐军早已等候在那里。这支“龟兹大军”中的四千西突厥军队一见到唐军掉头就跑，把那利和他的龟兹残兵扔在那里。那利大骂后立即指挥大军进攻，结果经过了一个上午的战斗，八千龟兹兵全军覆没。
而那位龟兹国相那利在乱军之中居然又逃脱了。唐军指挥官曹继叔听闻后大为惊讶，立即严令部队迅速全面搜查，无论如何也不能再让他逃跑了。此时的那利已经失魂落魄，他跑到附近一个村庄，藏在一户百姓家的草垛里。这家牧民的男主人在取草喂马时发现了他。他向这家百姓许愿，要给他们重赏。
但这家牧民将他当场拿下，捆好扔上马背后交给了大唐官军。唐军最高统帅阿史那社尔将那利当场凌迟处死，首级也悬挂在城门上示众。至此，叛军已经被全部消灭。随后在大唐军威和恩德的影响下，龟兹各地相继投降大唐。共有城镇七百余座、人口近二十万的龟兹全境宣告平定。为重新治理龟兹，唐太宗立龟兹亲唐贵族领袖叶护为王。这个做法也受到了龟兹人的一致拥护。
至此，大唐远征军历时九个月，远征近万里，终于将龟兹全境正式纳入大唐版图。大唐此后控制了东起高昌，西跨葱岭(今帕米尔高原)，北跨天山的辽疆土。至此，经过大唐将士的浴血奋战，天山南北在分裂三百年后重新回到了中华的怀抱。作为西域地区一个很有影响力的国家，龟兹的灭亡在周边产生了巨大的震动。西突厥把驻扎在天山北部诸国的军队紧急召回，随后上表大唐谢罪：;于阅、安国、石国等小国也纷纷上表称臣、纳贡。更重要的是，现在大唐帝国已经横直在西突厥面前，不可阻挡，西突厥灭亡、中亚回归只是时间问题。
龟兹平定的捷报传回首都长安，举国上下一片沸腾。为维护西域地区的稳定，唐太宗李世民经过慎重考虑，把此前设立的西域都护府作为大唐中央政府在西域领土上最高权力机构，并代行中央职权。西域诸国如龟兹国王和大臣等依旧保留。为了强化对西域的控制，正式在龟兹、焉者、于阅、疏勒四地设立军镇，水久驻扎一支两万四千人的大军，其中包含汉族、东突厥等各民族。驻军由安西都护统一节制，这就是中国历史上著名的大唐西域“安西四镇”。后来它的覆盖面积扩展到中亚。安西四镇共存在了近二百年，对维护、巩固中央政府对于新疆、中亚领土主权、保卫西北边疆发挥了无法替代的巨大作用。
648年的平定龟兹之战，是唐朝建国后在西部距离最远、难度最大的一次远征，具有极其重要的战略意义。龟兹的平定，使得大唐帝国完全控制了除中亚以外的西域地区，而帕米尔高原和天山的主要隘口都被大唐控制，从这里向西就是广袤的中亚草原。大唐彻底推毁了西突厥在东部的最后一道战略屏障，这就极大地削弱了西突厥的实力，也为后来最终灭亡西突厥莫定了极其重要的基础。
突厥是南北朝晚期继匈奴和柔然之后崛起的又一个游牧民族，隋文帝开皇三年(583)，突厥分裂为东、西二部。此后东突质逐渐强大，而西突厥则日渐衰弱。到了隋大业年间，射匮可汗执政，西突厥的国力逐渐恢复，射匮可汗去世后，他的弟弟统叶护可汗即位。统叶护为一代雄主，史称其“勇而有谋，普攻战到唐太宗李世民即位时，西突厥已经控制了整个西域。
西突厥在贞观十二年(638)分裂为东、西二部，西部的乙毗咄陆可汗和东部的咥利失可汗为争夺汗位互相混战，双方势均力敌。第二年，利失可汗被部下杀死，他的侄子继位，被称作沙钵罗叶护可汗。此后，咄陆被称为“北汗庭沙体罗叶护被称为“南汗庭”。南汗庭继承了利失的外交策略，依旧与唐朝通好，每年都向唐太宗朝贡。
贞观十五年(641)七月，唐朝征服高昌之后，唐太宗再次遣使前往南汗庭，赐沙缽罗叶护可以鼓露，极力扶持他。然而北庭的势力逐渐强大，西域各国纷附。可惜的是，南庭的沙体罗叶护可汗在随后的一场战斗中被杀，北庭的可研重新统一了西突。这对唐朝来说是一个坏消息，也意味着唐朝多年以来用外交手段来抑制西突腰告失败，而西突的重新统一则意味着西域的安全开始受到严重成胁。