在南路，侯君集和李道宗部隊遭遇了比北路更大的困難。因為南麵都是高海拔地區，平均海拔起碼要比青海湖沿岸高出1000米以上。將士們不但要克服嚴重的高原反應，而且所經之地荒無人煙，糧草和補給都供應不上，甚至連“以戰養戰”都不太可能。
南線部隊麵臨的第一道障礙，名叫“漢哭山”（今青海鄂拉山）。
這座山為什麼叫這個奇怪的名字，史書無載。但是依常理判斷，這個相當不吉利的名字不可能是漢人自己取的，很可能是從前的漢人經過這座山時，經常會出現劇烈的高原反應，所以吐穀渾人才會以此命名，說這是一座讓漢人哭泣的大山。
但是跟後麵要遭遇的困難比起來，漢哭山根本算不上什麼。
當唐軍翻過此山，穿越破邏真穀（鄂拉山口）後，更為嚴峻的考驗就來了。
南線部隊此次遠征的目標是分布在黃河源頭的吐穀渾各部落，而從鄂拉山口到目的地之間，是綿延數千裏的不毛之地和雪域冰川。唐軍經過這裏的時候，已經是陰曆五月，在漢地早已是驕陽似火、熱浪逼人，可這裏卻依然是一片白茫茫的冰雪世界。侯君集和李道宗部隊整整跋涉了兩千裏，不但一頭牛羊都找不到，而且連人馬的飲用水也無從尋覓。將士們隻好“人吃冰、馬啖雪”（《資治通鑒》卷一九四），克服了種種常人難以想象的困難。
不過，令人欣慰的是，辛苦總是有回報的。
南線部隊進抵烏海（今苦海，位於鄂拉山口西南）時，終於發現了一支吐穀渾的大股部隊，其首領是吐穀渾的親王梁屈蔥。
好些日子沒打過仗的唐軍將士頓時大為興奮，於是人人奮勇爭先。經過一番激烈廝殺，吐穀渾軍大敗，梁屈蔥被唐軍俘虜。
不言而喻，南線部隊同時也繳獲了大量牲畜。
獲得充分的補給之後，唐軍開始長驅直入，從星宿川（今黃河源頭的星宿海）一路打到柏海（今青海鄂陵湖和紮陵湖），連戰連捷，徹底摧毀了吐穀渾在黃河源頭一帶的軍事力量。
最後，南線部隊勝利班師，與李靖部隊會師於大非川。
此次遠征，兩路大軍曆盡千難萬險，奔襲數千裏，大小幾十戰，終於將吐穀渾軍隊的有生力量殲滅殆盡，完全實現了李靖預期的戰略目標。
就算放在幾千年的中國戰爭史上，這戰都堪稱難得一見的大手筆。
然而，慕容伏允仍然在逃。
沒有把他徹底擺平，這場戰爭就談不上完美。
此時，慕容伏允已經穿過柴達木盆地的戈壁荒漠，越過阿爾金山脈，一口氣逃到了塔克拉瑪幹沙漠東南部的且末城（今新疆且末縣）。
這裏是吐穀渾國境的最西端。經過一個多月連續作戰的唐軍將士，還有沒有勇氣和力量進行數千裏的追擊？
有。稍事休整之後，李靖就發出了一道新的命令——追！
慕容伏允萬萬沒有料到：唐軍說來就來了。
怎麼辦？
還能怎麼辦，撒丫子跑吧！
於是伏允就跑，埋著腦袋繼續跑，沿著突倫川（又稱圖倫磧，今新疆塔克拉瑪幹沙漠）南緣一直向西跑。
隻是在跑路的過程中慕容伏允百思不得其解——唐軍難道是鐵打的？為什麼如此遼闊的高原冰川非但拖不死他們，反倒被他們輕而易舉地征服了？
慕容伏允逃進突倫川後，想想自己的國家好像也沒有哪個地方是安全的了，要保住老命隻有一條路可以走——投奔於闐。
留得這把老骨頭在，或許還有東山再起的機會，就像當年從隋帝國手中奪回失去的江山一樣，慕容伏允想。
遺憾的是，這一次，伏允他老人家再也沒機會了。
唐軍前鋒將領契毖何力一聽說慕容伏允逃進了突倫川，馬上要領兵再追。薛萬均擔心像上次那樣遭遇伏擊，堅決不同意。契毖何力瞪著眼說：“那老家夥現在沒有城郭了，隻能隨水草遷徙，如果不趁他們聚居在此地時發兵襲取，一旦四散逃去，就沒機會端他們的老巢了。”
話一說完，契毖何力也不管薛萬均同不同意，自己挑了一千精銳騎兵，鞭子一甩就直奔突倫川而去。薛萬均無奈，隻好隨後跟進。
時值盛夏，沙漠地帶又嚴重缺水，被熱辣辣的太陽暴曬幾個時辰後，唐軍將士個個嘴唇幹裂，頭暈目眩。最後沒辦法，隻能殺了心愛的戰馬，生飲其血。
就是靠著這種堅毅頑強的精神，這群不怕死的硬漢終於進入了突倫川。
唐軍再一次從天而降，慕容伏允的殘餘部眾簡直不敢相信自己的眼睛。他們也沒心思打仗了，個個抱頭鼠竄，爭相逃命。唐軍輕而易舉地砍下了數千顆首級，同時俘獲牲畜二十餘萬頭，並生擒了伏允的妻子和兒子。
慕容伏允跑得快，沒被唐軍逮著。可是在沙漠裏跑了十來天，最後的一千多名騎兵幾乎都跑光了。剩下的幾個親兵驀然發現，再跟著這個國破家亡的老頭混下去實在是沒前途，索性一刀把他砍了，提著腦袋投降了唐軍。