阿史那社爾擊破西突厥處月部落和處密部落後，率軍穿過焉耆的西境，插到龜茲北麵，分兵五路，向各城發動突然襲擊。焉耆國王龍薛婆阿那支放棄都城，投奔龜茲，命令軍馬據守東部領土抗拒。阿史那社爾派兵追擊，生擒阿那支，斬首。改立其堂弟龍先那準當焉耆王，讓他繼續向唐朝進貢，重建一個親唐的政權。
龜茲嚇得如驚弓之鳥，僦僦不可終日，守城將士多棄城逃走。阿史那社爾挺進到磧口，距龜茲國都伊邏盧城三百裏，派遣伊州刺史韓威帶領一千多騎軍做先鋒，驍衛將軍曹繼叔隨後繼進。唐軍抵達多褐城，龜茲王布失畢命丞相那利和羯獵顛等率五萬兵馬迎戰。兩軍稍許接觸，韓威假裝失利，向後敗退。龜茲軍追擊，奔馳三十裏。韓威與曹繼叔的兵馬會合，龜茲軍人已饑疲，戰馬困乏，掉頭退卻，曹繼叔以逸待勞，配合韓威趁機反擊。龜茲大敗，北逃八十裏，退保都城。阿史那社爾揮師疾進，逼近伊邏盧城，炫耀武威，逼迫對方投降，並且進行攻城的準備。布失畢失魂落魄，一籌莫展，酷如長疥瘡的公豬一樣轉來轉去，帶著輕騎潛出城門，向西逃竄。阿史那社爾輕而易舉地攻下了伊邏盧城，留下郭孝恪駐守。
沙州刺史蘇海政和尚輦奉禦薛萬備率領精銳騎軍追擊布失畢，窮追六百裏。布失畢窘困急迫，嚇得魂飛天外，慌慌張張投奔到撥換城，緊閉城門，固守頑抗。阿史那社爾進抵城下，發動攻城，曆時四十天，攻陷城池，生擒布失畢及羯獵顛。
那利隻身逃脫，勾引西突厥兵及本國殘兵共一萬多人，殺了個回馬槍。郭孝恪在都城外安營紮寨，龜茲人通告他那利會來偷襲，郭孝恪並不在意。那利的兵馬突然發起攻城，郭孝恪率部眾一千餘人準備進城時，那利的將士已攀上了城牆。城內的降兵與那利軍裏應外合，共同夾擊郭孝恪，飛箭投石如同瀑布暴雨一般，剛剛進入城內的郭孝恪抵擋不住，想反衝出城外，轉戰到西門，不幸被亂箭射死。城中大亂，兵部郎中崔義超集結敢死壯士二百人，保護軍需糧草，跟敵軍展開巷戰。曹繼叔和韓威也在城外紮營，得到戰報，自西北角發起強攻。激戰一夜，天亮時那利兵撤到城外，被唐軍斬殺三千多人，城中才安定下來。
十多天後，那利又率龜茲軍一萬餘人從山北發起攻擊，打算奪回都城。曹繼叔迎戰，大破敵軍，陣斬八千餘人。那利單人匹馬逃走，躲進牧民家裏，被主人捉住，送到了唐軍大營。
阿史那社爾乘勝進擊，勢如破竹，前後攻下五座城堡，派出左衛郎將權祗甫前往其他城堡遊說，曉以禍福。各城相繼請降。唐軍共得七百餘城，俘虜男女數萬人。阿史那社爾召集龜茲父老，宣示唐朝的武威，並講明討伐布失畢的理由，立其弟葉護繼任國王。龜茲人願意接受，舉國慶祝。西域各國震駭，聞風喪膽，自願歸附大唐。西突厥汗國、於闐王國和安國爭著供應唐軍的糧草，並饋贈牛羊、駱駝與騾馬。阿史那社爾刻石立碑，記載遠征功勞，而後班師回朝。
貞觀二十三年正月，龜茲國王布失畢及丞相那利等人被押抵京師長安。李世民嚴厲責備他們不識時務，背離唐朝。布失畢等叩頭認罪，請求舉國歸附。李世民寬大處理，全部釋放，任命布失畢做左武衛中郎將。征服焉耆、龜茲，臣服西突厥等國，唐朝安定了西部邊防，在西域站穩了腳跟，絲綢之路暢通了，為以後進一步向縱深發展奠定了基礎。
去冬今春，關中大旱，路上揚起沙粉塵霧，田地幹裂成了硬塊，像石頭一樣，鋤頭敲下去發出“嘭嘭嘭”的聲響。三月中旬，久旱得雨。聽到淅淅瀝瀝的雨點聲，莊稼人的心坎上敲響了欣幸的小鼓。雨落在泥土裏，卷起一陣陣輕煙，土地好像綻出了一個個嬉笑的酒渦。雨後，天空半陰半晴，片片灰雲隨風冉冉飄浮，樹木花草隱約在如煙的濕霧中，宮牆上冒著淡淡的水汽，一切都顯得分外清新，分外爽快，空氣也像洗滌了一樣散發出濕潤的清香味。李世民命長孫無忌代他前往南郊祭天，自己抱病勉強走到顯德門外，頒發詔書，大赦天下。然後敕令太子治在金液門主持朝會，接受朝賀，處理政務。四月一日，李世民行幸翠微宮。他考慮到自己龍體欠安，力不從心，打算放棄遠征高麗。但是顧忌最重而想得最多的仍然是太子治，怕他管不住元老重臣，治理不好朝政。大、小楊妃伺候他服下湯藥後，他朦隴了片刻，便把太子召到含風殿，屏退左右，慢聲低語地對太子說：