阿史那社爾率大軍乘勝追擊，直抵龜茲都城伊邏盧城。在塔裏木盆地邊緣的這些綠洲國家，其特點是城池建立於綠洲之上，這些綠洲往往並不相連，而是呈點狀分布，這種分布特點使得其城池容易被逐一擊破。多褐城失守後，龜茲都城伊邏盧城無險可守，國王布失畢明白伊邏盧城是守不住的，此時阿史那社爾的大軍又兵臨城下，布失畢就率少數騎兵向西奔逃。國王一走，伊邏盧城很快便陷落。
唐軍將領蘇海政、薛萬備（薛萬均、薛萬徹的弟弟）率精銳騎兵向西追擊，龜茲國王布失畢一路西奔，直達六百裏外的拔換城（今新疆阿克蘇）。拔換城的城池堅固，地形險要，易守難攻，蘇海政、薛萬備久攻不下。
阿史那社爾攻克龜茲都城伊邏盧後，留下安西都護郭孝恪駐守，然後親率大軍馳援蘇海政與薛萬備。此時已經是貞觀二十二年的年末，嚴寒的天氣給唐軍攻城帶來了很大的麻煩，但是對於堅守拔換城的龜茲軍隊來說，也同樣極為艱辛。
雙方的戰士都英勇奮戰，但是無論從戰鬥的經驗或是戰鬥力上來說，唐軍還是明顯高出一籌，特別是唐軍擁有先進的攻城器械，在嚴寒之下，這些武器的威力雖受到了一些限製，但仍然足以震懾守軍。
經過四十天艱難的圍攻戰，阿史那社爾終於攻破拔換城，龜茲國王布失畢這次沒有機會逃脫，被唐軍生擒，其餘的將士放下武器，全體投降。龜茲戰役中最大規模的會戰以唐軍的勝利而告終。
阿史那社爾攻破拔換城後，龜茲國相那利逃往西突厥，在西突厥人的支持下，那利潛回龜茲國內。由於龜茲是綠洲國家，各城池非常分散，那利糾集了仍然效忠於國王的軍隊，共計一萬餘人。這個那利不是一般的人物，在擔任龜茲國相期間，德高望重，在國內極有影響力，而且深受國人愛戴，所以在那利的號召下，不少軍隊都願意聽從其調遣。
此時郭孝恪鎮守伊邏盧城，伊邏盧城外仍然有龜茲軍隊拒絕投降，繼續抵抗，郭孝恪便將營地駐紮在城外。此時有一個龜茲人給郭孝恪打小報告，說：“那利擔任國相期間，人心歸服，如今逃亡在外，不會善罷甘休的，肯定會有所動作。伊邏盧城內的人蠢蠢欲動，將軍可要提防著點啊。”
但是郭孝恪對這個小報告沒有引起足夠的重視，以致讓他付出慘重的代價。
龜茲國相那利率一萬多人準備殺回都城，並且與都城內的龜茲人暗中約定裏應外合，一旦等那利抵達城下，即開門迎接，然後共同襲擊城外的唐軍營地。
等郭孝恪發現時，為時已晚，那利的一萬名龜茲兵已經兵臨城下，並且在內應的協助下開始進入城內。郭孝恪大吃一驚，趕忙率一千多人從西門進入城內，欲平叛亂軍。此時那利的軍隊占據了龜茲王宮，郭孝恪奮力殺到王宮前，但最終還是寡不敵眾，被迫又撤出來，且戰且退，一直退到城門口。龜茲人萬箭齊發，郭孝恪中箭身亡，同時戰死的還包括他的兒子郭待詔。
郭孝恪之死，乃是唐軍西征龜茲以來的最大挫折。郭孝恪自擔任安西都護之後，多次挫敗西突厥的進攻，並且一度征服焉耆，其武功可圈可點。然而郭孝恪此番敗亡，實有其自身之弱點。郭孝恪在生活上極為奢侈，即使在行軍途中，他的軍帳之內，仍然布置奢華，奴仆侍妾，古玩珍器，一樣不少。在占據龜茲的都城之後，郭孝恪撈取了不少寶物，過分奢華的享受，使他在防備龜茲人的反撲上缺乏必要的準備，最後導致命喪黃泉。
與郭孝恪相反，遠征軍的統帥阿史那社爾是個嚴於自律、極為清廉的統帥，郭孝恪曾派人送珍寶給阿史那社爾，阿史那社爾一樣也沒有接受。唐太宗後來評論說：“阿史那社爾與郭孝恪二人的優劣，從他們的生活作風就可以區分開來了。如今郭孝恪被寇虜所殺，真是咎由自取。”
事實上，唐軍將領很多出自隋末的草莽英雄，所以戰爭後大肆掠奪的情況時有發生。比如 640年的高昌戰役中，統帥侯君集以及其他將領大肆掠奪高昌國的金銀財寶，副統帥薛萬均強奸高昌婦女，隻有阿史那社爾秋毫未取。身為突厥降將，唐太宗敢於大膽起用，可謂有識人之明。