郭孝恪戰死之後，那利並不能完全占據伊邏盧城。
城內呈現混亂不堪的局麵，一些重要據點仍控製在唐軍手中。唐軍將士中，表現最出色的是倉部郎中崔義超，作為一名軍需官，他負責保衛軍用物資倉庫。
當叛軍射殺郭孝恪，幾乎占據伊邏盧城時，軍用倉庫這個重要的據點，卻仍然牢牢地控製在唐軍的手中。崔義超手下的兵士並不多，他緊急招募了二百名敢死士，全副武裝，保衛倉庫。一部分叛軍多次對倉庫發起衝擊，與崔義超部發生激烈的交戰，崔義超在兵力嚴重不足的情況下，頑強地頂住叛軍的進攻。同時，叛軍的混亂局麵也幫了崔義超大忙，顯然叛軍並沒有意識到這個軍用倉庫的重要性。最後，崔義超居然奇跡般地保衛住這個倉庫，正是他的英勇表現，使得唐軍的武器裝備以及糧草儲備均安然無恙，可謂居功甚偉。
郭孝恪戰死之後，駐紮在城外的唐軍將領曹繼叔、韓威，調派大軍從西北角進入伊邏盧城，與城內的龜茲反叛力量進行驚心動魄的戰鬥。畢竟龜茲軍隊的戰鬥力不如唐軍，經過一晝夜的廝殺，到了第二天的拂曉，曹繼叔、韓威兵團終於擊退龜茲軍，那利國相被迫退出伊邏盧城，城內留下三千具龜茲士兵的屍體。
那利收拾殘兵，共計還有一萬人左右，退守伊邏盧城北麵的山區，而曹繼叔、韓威等人也忙於整飭伊邏盧城內的秩序。十餘日後，那利再次對伊邏盧城發起進攻，如果說上次郭孝恪是因為輕敵而落敗的話，那麼這次曹繼叔等人則是嚴陣以待，龜茲人根本沒有取勝的可能。那利對伊邏盧城發動的進攻，簡直是一次自殺式的攻擊，一萬名士兵，有八千人死於戰鬥中，那利本人也成為唐軍的俘虜。
阿史那社爾在攻破拔換城之後，又緊接著攻破拔換城周邊的五座城池。經過這些戰鬥後，龜茲的主力基本上被擊破，雖然在星星點點分布的綠洲中，還有許多大大小小的城堡。阿史那社爾決定采取招撫的手段，他派人前往各綠洲城堡，對各城主進行遊說，分析利害關係，這些綠洲城堡，望風歸降，總計向阿史那社爾歸降的有七十餘座城堡（《資治通鑒》作七百餘座，從《新唐書·阿史那社爾傳》）。
至此，討伐龜茲的戰爭宣布勝利結束。阿史那社爾召集歸降的龜茲各城主以及高等官員，向他們解釋唐王朝之所以派兵前來討伐，乃是因為國王布失畢犯下三大罪狀，並非為了滅掉龜茲國，隨後宣布改立布失畢的弟弟為新的龜茲國王。這樣的處理方式，龜茲人還是相當滿意的。
被俘的龜茲國王布失畢以及國相那利被押解到長安城，唐王朝仍然一如既往采取寬大原則，對布失畢與那利二人給予釋放，並且任命布失畢為左武衛中郎將。
唐王朝對龜茲的戰爭，略似於漢武帝時代的大宛戰爭，西域諸國無不震動，因為它表明西域雖然在地理位置上遠離中原，但是大唐的遠征軍不僅可以抵達，而且可以打贏戰爭。
龜茲之戰，使得唐朝政府控製了塔裏木盆地的北道，同時南道的國家於闐、西突厥東部的一些部落，以及遙遠的安國（今烏茲別克斯坦境內），都分別向唐遠征軍送來馬匹、駱駝以及糧食，以表示對唐軍的慰問。
行軍長史薛萬備決心讓塔裏木盆地南道最重要的國家於闐也歸順大唐，他向統帥阿史那社爾請求道：“如今我們擊破龜茲，兵威正盛，正可借此時機，我願率若幹輕騎，羈取於闐國王。”
奪取龜茲，隻是奪取塔裏木盆地大戰略中的一環，對於薛萬備的建議，阿史那社爾非常支持，便撥給他五十名騎兵。薛萬備大喜，馬不停蹄地趕到了於闐國，見了於闐國王後，勸他歸順大唐，於闐國王考慮再三後，決定與薛萬備一同前往長安，朝見唐太宗，歸順大唐帝國。
大唐帝國經此一役，基本上掌控了塔裏木盆地，打通了中亞的通道，這是大唐帝國非常重要的一場戰事。躊躇滿誌的阿史那社爾在龜茲國立下一塊大石碑，記錄下遠征軍的赫赫武功，然後班師回朝。
這也是唐太宗生平的最後一場大戰。在龜茲之戰的第二年，即貞觀二十三年，唐太宗去世，貞觀時代結束。
後唐太宗時代，帝國的擴張之路，將何去何從呢？