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。