唐军在金山逼降处木昆部之后，又火速进军另一部落。贺鲁唯恐各部被各个击破，于是集结十万大军，欲将唐军阻挡于曳咥河（今新疆额尔齐斯河）以东。苏定方察觉到对方意图，亲率一万精兵抢渡，在河西列开阵势。面对十倍于己的敌人，唐军背水一战，都拿出了拼命的架势。苏定方临危不惧、镇定指挥，命步兵执长矛于前，骑兵在后准备，三度击退敌人冲锋之后，精锐骑兵尽出，一鼓作气直插敌人两翼，步兵也自正面反攻，突厥十万大军立时溃败。唐军追击三十余里，斩杀、俘虏敌军数万人。
贺鲁败归牙帐，征调所有兵马再战唐军，欲扭转败局，怎料两军阵中泥孰部突然倒戈，苏定方率领任雅相、婆闰等将趁势猛攻，突厥诸部溃不成军——原来薛仁贵所献计谋生效了。李治将离间之谋写成密诏，遣人快马送至军中，而恰巧曳咥河之战的俘虏中便有泥孰酋长的妻儿，苏定方按计而行，将人质秘密送还，泥孰部感激涕零，当即承诺倒戈。经此一战贺鲁大挫，南路唐军阿史那弥射、阿史那步真也一路逼近，西突厥诸部大半势穷力蹙，纷纷归顺大唐。
时至显庆二年十二月，贺鲁众叛亲离，只剩本部人马，意欲遁逃西域。苏定方深知除恶务尽的道理，以萧嗣业为先锋，冒着严寒直取突厥王庭。其时正逢大雪，狂风怒吼，路上积雪足有两尺，唐军不惧险阻昼夜兼程，南北两路合围歼敌。贺鲁万没料到唐军会在如此恶劣天气下长途奔袭，立时全军覆没，仅带着几个亲信仓皇而逃；欲逃奔石国（今乌兹别克斯坦塔什干），却被当地人擒获，献与萧嗣业——至此，叛乱六年的西突厥再度被唐朝消灭。
苏定方自领命出征，一路凯歌连战连捷，至大功告成只用了一年时间。在擒获贺鲁后他又安抚西突厥诸部，使其各归所居，通道路、置邮驿、掩骸骨、问疾病、划疆域、复生业、还所掠，迅速稳定当地各族人心。有勇有谋、恩威并施，这一役的功劳直追卫公李靖、英公李，苏定方俨然成了一颗冉冉升起的将星。
李治在洛阳得到露布，兴奋得手舞足蹈——这不仅是一场对外的胜利，更是一场对内压服舆论的胜利，重用苏定方无疑证明了他这个天子的明智。他当即下令：晋升苏定方为左骁卫大将军，封邢国公，另封他随军征战的儿子苏庆节为武邑县公；召任雅相回朝，晋升兵部尚书，其他立功将领也各有升赏；将西突厥旧地分置濛池、昆陵两个都督府，由卢承庆持节，分授阿史那弥射、阿史那步真为两都督，原贺鲁麾下归降者授刺史以下官职。
西突厥既定，大唐对西域的控制便也不再有障碍。显庆三年正月李治诏令左屯卫大将军杨胄率兵入西域，诛灭龟兹国叛臣羯猎颠，其时布失毕已卒，于是立其子为王；并将安西都护府的治所迁到龟兹，大唐掌控整个西域的势头已出现。吐蕃大相禄东赞乃绝顶聪明之人，情知此时已无力与唐争锋，再度遣使向大唐求亲，以示友好；李治也知他是虚与委蛇，客客气气敷衍一番，并没有答应。