顯慶二年閏正月二十一日，唐以蘇定方爲伊麗道行軍總管，率燕然都護任雅相、副都護蕭嗣業，發唐兵與回紇兵萬餘人，從北道討伐西突厥沙鉢羅可汗;又命右衛大將軍阿史那彌射和左屯衛大將軍阿史那步真爲流沙安撫大使，自南道招集西突厥餘衆。十二月，蘇定方率軍在金山(今阿爾泰山)北，擊破處木昆部，其俟斤懶獨祿等率萬餘帳歸降，蘇定方徵調其千名騎兵從軍。
唐朝採納右領軍郎將薛仁貴建議，爭取泥孰部(弩失畢五俟斤之一)共襲沙鉢羅。蘇定方率唐及回紇兵萬餘人至曳咥河(今新疆額爾齊斯河)西，沙鉢羅率十姓兵10萬將其包圍。蘇定方命步兵持矛環據南原，自率騎兵列陣於北原。沙鉢羅軍三衝南原未逞，蘇定方率騎兵乘勢反擊，大敗沙鉢羅軍，追擊30裏，斬獲數萬人。次日，唐軍繼續前進，胡祿屋等五弩失畢舉部歸降，沙鉢羅與處木昆屈律啜數百騎西遁。五咄陸部聞沙鉢羅兵敗，也歸附阿史那步真率領的南路唐軍。
蘇定方於是命令蕭嗣業與回紇婆閏率騎兵向邪羅斯川(曳咥河南)進發，追擊沙鉢羅，蘇定方與任雅相率新附之衆繼後。時遇大雪，深約二尺，諸將建議待天晴後再進軍。蘇定方說服部衆，利用沙鉢羅以爲唐軍必然休兵的僥倖心理，踏雪晝夜兼程地繼續追擊。進至雙河(今新疆伊寧北)，南北兩路唐軍會師，又長驅200裏，直抵金牙山(今中亞塔什干東北)沙鉢羅牙帳。沙鉢羅及其將士正準備外出打獵，蘇定方乘其無備，突然發起攻擊，斬俘數萬人。沙鉢羅與其子咥運、婿閻啜等逃往石國西北之蘇咄城。蘇定方乃息兵，令西突厥各部落返回居所，修通道路，設置驛站，掩埋屍骨，慰問疾苦，劃定疆界，恢復生產。並將沙鉢羅擄掠的牲畜、財物等，全部歸還原主。蘇定方命蕭嗣業率兵繼續追擊，自引大軍凱旋。沙鉢羅逃到石國，被石國人誘捕，送交蕭嗣業。十一日，唐在西突厥故地設置漾池、昆陵二都護府，以阿吏那步真、阿史那彌射爲都護，分統其十姓各部。
