阿史那社尔见状，亲率主力精锐八万铁甲骑兵，翻山越岭，长途奔袭，抄小路突然出现在龟兹守军的后方。他们凭借夜色的掩护从背后突然猛攻，打击在后方压阵的西突顺处月、处密二部。西突厥在兵力上本来占有优势，但他们没有预料到，唐军骑兵居然政走一条无法走的路线，绕到他们的背后突然发动袭击。
大唐骑兵集团犹如神兵天降，远用箭射，近用刀砍，纵马驰骋，杀入西突厥人营地，随即又四处放火。西突厥军队在强大的唐军面前已经无力回天了。最终西突厥处月、处密二部在伤亡近万人后向天山以北全线溃退。唐军统帅阿史那社尔没有追击，因为他的目的不是要全歼这两支西突厥武装，而是将其击以减轻龟兹正面战场上的压力。
随后，大唐远征军统帅阿史那社尔进行下一步的动作，他把十五万大军兵分五路，再次走山间小路和沙漠戈壁绕过龟兹西北部的屏障焉者王国，突然出现在其背后，包围了都城焉着城。一直与龟兹王“同进退”的焉王薛婆阿那支此前没有察觉到唐军的动向，以为唐军不会先攻击他，等到唐朝的大军突然出现在他的面前时，他大为震惊。焉者是西域小国，国小人少，他们只抵抗了一个上午就开始崩溃了，唐军攻克了焉城。
焉王薛婆阿那支在城破前企图化装出逃，投弃龟兹。阿史那社尔立即派郭孝恪领兵追赶，很快就将其生擒。薛婆阿那支是西域各国中，非常著名的铁杆反唐亲西突分子，阿史那·社尔在焉者城内将其新首。焉者王国被彻底攻克，龟弦就丧失了北方的最后一道屏障。唐军逐渐扫清外围障碍，随即开始进攻龟兹本土。面对屡战屡胜的唐朝大军，龟兹守军无法组织起像样的抵抗，他们一触即溃，使得唐军如入无人之境，迅速攻入龟数酸地。
648年九月中旬，大唐远征军主力包围了多褐城(龟兹都城伊逻卢城以北一百里的门户)，龟兹举国震惊。此时，西突厥驻军已经选走了，龟兹只能凭借自己的实力对抗唐军。龟兹王词黎布失毕与国相那利、大帅羯猎颜等人孤注一掷，决定集中全部兵力，不情一切代价抗击敌军。龟兹王河蔡布失毕调集了天山南部国土内所有能用的兵力，共五万骑兵“御驾亲征”。面对顽抗到底的龟兹，唐军统帅阿史那社尔命大将韩威为前锋，率领一千骑兵主动出击以引诱敌军，自己则率领主力在后方伏击敌军。
韩威领兵出击后不久就遇到了龟兹主力。龟兹五万铁骑漫山遍野，旌旗招展显得很有气势，确实强于其他小国。发现唐军后，龟兹王河蔡布失毕命令大帅羯猎颠马上发起攻击。龟兹军队想倚仗数量上的绝对优势一举拿下唐军，但他们的进攻没有章法。唐军在韩威的指挥下，首先用马箭密集射杀，随后不与敌人恋战，马上撤退。
面对唐军的溃败，龟兹王词黎布失毕非常高兴，于是立即命令大帅羯猜颠全线追击。羯猎颠动说河蔡布失毕不要轻敌，唐军一向英勇善战，此番小战即溃肯定有阴谋。但诃黎布失毕根本听不进去，于是在词黎布失毕的严令下，龟兹五万大军紧随其后追击。结果和羯猎料想的一样：色兹大军刚刚追了三十里，韩威就与唐军主力会合了。
无数唐军伏兵从四面八方发起攻击。龟兹军从来没有经历过这样的阵势。他们然在西域地区还能称一方，但难以抵挡强得的唐军。且唐军中还有很多东突顺骑兵，其凶停更是龟人闻所未闻的。结果，唐军很快就完成了对龟数军的分包。在唐军猛烈攻击下，龟数主力五万骑兵狼须逃窜，龟数王问布失毕与大师房猜迅速逃往国都唐军没有给敌方任何喘息之机，统卿同史那社条亲率主力十万铁甲骑兵立即追击，追击了八十里。唐军逐渐扫清外围残敌，于648年十月下甸，包围了龟兹国都伊翌卢城，同时也做好了打圾的部署。
伊卢城是一座已经经营了七百多年的古城，防御设施非常完备圆。绝王河布失毕与国相那利。大帅猜准备固守都城，并等待西突所的兵。在攻城器械的境护下，唐军步兵有人通过攻城塔和云梯登城墙，还有人架冲车直攻城门。高达十丈的攻城塔在生和人力的拉下，缓慢地推进到城墙边，随后冲车上的巨大木锤不断用力的击，城墙上的砖石纷纷坠落。很快城墙在猛烈撞击下被唾开多个巨大的缺口，唐军骑兵趁机通过缺口蜂拥而入，双方展开激烈的花战。
眼看着城破在即，龟兹王词布失毕与国相那利、大帅据猜偷你从地道逃出国都。他们出选后，守军顷刻间成批投降。战斗一直持续到当天中午，大唐远征军攻克了龟兹国都伊逻卢城。唐军统帅阿史那社尔令郭孝格率领曹继叔韩成守城，他亲率精锐骑兵追击词黎布失毕。
临行前，阿史那社尔对郭孝倍反复强调说，龟兹都城刚打下来，城内不稳，面且龟兹人一直对大唐不友善，他们反复无常，此时如果首领还没有摘获，天山以北地区也没有平定，他们的残余势力依然很有实力，特别是西突厥也不会这么快就认输，他们一定会反扑。因此，特意属郭孝格在城中千万要谨慎从事严加防范敌人突袭。他还要求郭孝格发生状况时，要立即退守城中，全力守城以待缓兵。
之所以如此调道填小心，那是因为阿史那社尔非常了解龟兹人。但邪孝格并没有放在心里，因为在他看来，在大唐将土军威之下，城中区区几个胡人还能翻天吗？而这就为后来发生的悲剧埋下了伏笔。阿史那社尔部署完毕，就亲率苏海政、薛万备等大将，带领着三万骑兵追击龟兹王河黎布失毕。大唐骑兵充分展示了他们强悍的“勇追穷寇，赶尽杀绝”的作风，昼夜不停地追击，强行军六百里才追上逃跑的敌人。龟兹王诃黎布失毕与国相那利、大帅羯猜颠退守到拨换城(今新疆阿克苏)。
唐军随即将城包围，此时城中守军人数不多，只有一万多人。唐军围城后等待后方攻城器械的到来。没过多久攻城器械抵达后，唐军开始攻城。龟兹守军困兽犹斗，经过一个多月的连续猛攻，648年底，大唐远征军终于攻克按换城。龟兹王词黎布失毕、大帅羯猎颠被俘后被押解送回长安，全城军民都投降了。龟兹国相那利逃走了，这让阿史那社尔深感不安，因为那利是龟兹国内最强硬的反唐亲突厥分子，他此刻对局势的安稳来说，会是一个巨大的隐患。很快，阿史那社尔的担忧变成了现实。
此时，唐军没有完全平定龟兹全境，而西突厥也没有死心，已经欲动。龟国相那利出逃后，立即来到西北边境找到西突厥駐军请求支援。西突厥首领乙毗射匮可汗得到消息后立即命令他们全力配合，同时表示援兵马上就到。那利没有等西突的圾兵，就把龟兹周边的散兵游勇集中起来，加上西突厥的驻军一共一万多人，他们决定立即下手。那利想趁驻扎国都的唐军守备松懈的时候，直接进攻都城。
此时，龟益城内的唐军统帅郭孝恪非常松懈，他甚至没有遵从主帅的命令，城内只留了少量兵力，而将主力部队驻扎在城外。此时，一些龟兹贵族动告郭孝格说：“那利做宰相多年了，他很得人心，如今逃亡在外，一定会想着趁机作乱，而城里的人，也都是怀有二心的人，您一定要好好准备啊！