以後，到磔迦國（今巴基斯坦旁遮普）從一老婆羅門學《經百論》、《廣百論》；到至那仆底國（今印度北部之菲羅茲布爾地方）從毗膩多缽臘婆（調伏光）學《對法論》、《顯宗論》；到闍爛達羅國（今印度北部賈朗達爾）從旃達羅伐摩（月胄）受《眾事分毗婆沙》；到窣祿勤那國（今印度北部羅塔克北）從闍那多學《經部毗婆沙》；到秣底補羅國（今印度北部門達沃爾）從蜜多犀納受《辯真論》、《隨發智論》；到曲女城（今印度恒河西岸之勒克）從累縭耶犀納學《佛使毗婆沙》、《日胄毗婆沙》。貞觀五年，抵摩揭陀國的那爛陀寺受學於戒賢。
玄奘在那爛陀寺曆時5年，備受優遇，並被選為通曉三藏的十德之一（即精通五十部經書的十名高僧之一）。前後聽戒賢講《瑜伽師地論》、《順正理論》及《顯揚聖教論》、《對法論》、《集量論》、《中論》、《百論》以及因明、聲明等學，同時又兼學各種婆羅門書。
曆遊五印貞觀十年玄奘離開那爛陀寺，先後到伊爛缽伐多國（今印度北部蒙吉爾）、薩羅國、安達羅國、馱那羯碟迦國（今印度東海岸克裏希納河口處）、達羅毗荼國（今印度馬德拉斯市以南地區）、狼揭羅國（今印度河西莫克蘭東部一帶）、缽伐多國（約今克什米爾的查謨），訪師參學。他在缽伐多國停留兩年，悉心研習《正量部根本阿毗達磨論》及《攝正法論》、《成實論》等，然後重返那爛陀寺。
不久，又到低羅擇迦寺向般若跋陀羅探討說一切有療三藏及因明、聲明等學，又到杖林山訪勝軍研習唯識抉擇、意義理、成無畏、無住涅盤、十二因緣、莊嚴經等論，切磋質疑，兩年後仍返回那爛陀寺。
此時，戒賢囑玄奘為那爛陀寺僧眾開講攝論、唯識抉擇論。適逢中觀清辨（婆毗呔伽）一係大師師子光也在那裏講《中論》、《百論》，反對法相唯識之說。於是玄奘著《會宗論》三千頌（已佚），以調和大乘中觀、瑜伽兩派的學說。同時參與了與正量部學者般若多的辯論，又著《製惡見論》一千六百頌（已佚）。還應東印迦摩縷波國（今印度阿薩姆地區）國王鳩摩羅的邀請講經說法，並著《三身論》（已佚）。
接著與戒日王會晤，並得到優渥禮遇。戒日王決定以玄奘為論主，在曲女城召開佛學辯論大會，在五印18個國王、3000個大小乘佛教學者和外道2000人參加。當時玄奘講論，任人問難，但無一人能予詰難。一時名震五印，並被大乘尊為“大乘天”，被小乘尊為“解脫天”。戒日王又堅請玄奘參加5年一度、曆時75天的無遮大會。會後歸國。
取經回國
貞觀十九年正月二十五日，玄奘返祗長安。史載當時“道俗奔迎，傾都罷市”。不久，唐太宗接見並勸其還俗出仕，玄奘婉言辭謝。爾後留長安弘福寺譯經，由朝廷供給所需，並召各地名僧20餘人助譯，分任證義、綴文、正字、證梵等職，組成了完備的譯場。同年五月創譯《大菩薩藏經》20卷，九月完成。
貞觀二十年正月，玄奘譯出無著《顯揚聖教論》20卷；並口述由辯機筆受完成《大唐西域記》。同年尚譯出《解深密經》、《因明入正理論》，推進了因明在中國的發展，嗣又奉敕將《老子》、《大乘起信論》譯作梵文，傳於印度。二十二年五月譯出《瑜伽師地論》100卷，並請太宗作經序。十月，譯出《能斷金剛般若波羅蜜多經》。不久，大慈恩寺落成，玄奘遂奉敕入住任上座，並悉心從事翻譯佛經。永徽三年（652），奏請建塔以安置經像，經高示敕許，乃於大慈恩寺西院營建雁塔。玄奘“親負簣畚，擔運磚石，首尾二周（年），功業始畢”。