显庆二年闰正月二十一日，唐以苏定方为伊丽道行军总管，率燕然都护任雅相、副都护萧嗣业，发唐兵与回纥兵万余人，从北道讨伐西突厥沙钵罗可汗;又命右卫大将军阿史那弥射和左屯卫大将军阿史那步真为流沙安抚大使，自南道招集西突厥余众。十二月，苏定方率军在金山(今阿尔泰山)北，击破处木昆部，其俟斤懒独禄等率万余帐归降，苏定方征调其千名骑兵从军。
唐朝采纳右领军郎将薛仁贵建议，争取泥孰部(弩失毕五俟斤之一)共袭沙钵罗。苏定方率唐及回纥兵万余人至曳咥河(今新疆额尔齐斯河)西，沙钵罗率十姓兵10万将其包围。苏定方命步兵持矛环据南原，自率骑兵列阵于北原。沙钵罗军三冲南原未逞，苏定方率骑兵乘势反击，大败沙钵罗军，追击30里，斩获数万人。次日，唐军继续前进，胡禄屋等五弩失毕举部归降，沙钵罗与处木昆屈律啜数百骑西遁。五咄陆部闻沙钵罗兵败，也归附阿史那步真率领的南路唐军。
苏定方于是命令萧嗣业与回纥婆闰率骑兵向邪罗斯川(曳咥河南)进发，追击沙钵罗，苏定方与任雅相率新附之众继后。时遇大雪，深约二尺，诸将建议待天晴后再进军。苏定方说服部众，利用沙钵罗以为唐军必然休兵的侥幸心理，踏雪昼夜兼程地继续追击。进至双河(今新疆伊宁北)，南北两路唐军会师，又长驱200里，直抵金牙山(今中亚塔什干东北)沙钵罗牙帐。沙钵罗及其将士正准备外出打猎，苏定方乘其无备，突然发起攻击，斩俘数万人。沙钵罗与其子咥运、婿阎啜等逃往石国西北之苏咄城。苏定方乃息兵，令西突厥各部落返回居所，修通道路，设置驿站，掩埋尸骨，慰问疾苦，划定疆界，恢复生产。并将沙钵罗掳掠的牲畜、财物等，全部归还原主。苏定方命萧嗣业率兵继续追击，自引大军凯旋。沙钵罗逃到石国，被石国人诱捕，送交萧嗣业。十一日，唐在西突厥故地设置漾池、昆陵二都护府，以阿吏那步真、阿史那弥射为都护，分统其十姓各部。