十月，阿史那社尔率大军兵分五路，以犁庭扫穴之势横穿焉耆国境，兵锋直指龟兹。焉耆国王薛婆阿那支丢弃王城，望风而逃，准备投奔龟兹。阿史那社尔遣兵追击，将其捕获，二话不说就把他砍了，另立其堂弟先那准为新国王，并命其对唐朝修藩臣礼、按时朝贡，从而在焉耆重建了一个亲唐政权。
焉耆不战而败，龟兹举国震恐，各地守将纷纷弃城而逃，唐军如入无人之境，顺利拿下龟兹都城伊逻卢城（今新疆库车县），生擒国王布失毕。龟兹国相那利逃脱了唐军的追捕，从西突厥搬来救兵，大举反攻郭孝恪驻守的伊逻卢城。郭孝恪寡不敌众，与长子郭待诏一起壮烈殉国。
唐军随后重新夺回伊逻卢，擒获那利。此后，阿史那社尔率领大军如同秋风扫落叶一样，接连攻克了龟兹的五座大城，同时招降了七十余座小城，彻底占领了龟兹全境。
唐朝成功征服龟兹之后，史称“西域震骇”，“西突厥、于阗、安国争馈驼马军粮”（《资治通鉴》卷一九九），以此表示对唐朝的臣服之意。
