適逢天降大雪，積雪“平地二尺”，部將請求稍事休息，蘇定方說：“敵人依恃大雪，以為我軍不能前進，必休整兵馬，現進軍乘其不備則可以追趕上，如果遲緩放縱讓他們遠逃而去，那就不能擒獲了！”於是領兵踏雪進發，晝夜兼程，到了雙河，同彌射、步真會師，唐軍士氣飽滿高漲，長驅直入，距離賀魯駐地一百裏時，下令擺好陣勢前進，大軍逼近金牙山（今吉爾吉斯斯坦托克馬克以西）。此時賀魯正準備打獵，蘇定方趁其無備，縱兵進擊，打敗了他屬下幾萬人，全都讓俘虜回到了自己的部族。
賀魯率其殘部繼續逃亡，唐軍窮追不舍，定方追賀魯至碎葉水（今吉爾吉斯和哈薩克境內楚河），盡奪其眾。沙缽羅可汗僅率其子咥運、婿閻啜等十餘騎連夜逃往石國（今烏茲別克斯坦首都塔什幹一帶）西北的蘇咄城，部眾饑餓困乏，遂派人攜帶珍寶入城買馬。城主伊沮達官假意以酒和飯菜出去迎接，引誘他進城後，關門將其拘捕。蘇定方派遣副將蕭嗣業一路追擊至石國，石國人將沙缽羅交給他。
此次唐軍征伐賀魯“收其人畜前後四十餘萬”，息兵後蘇定方令西突厥諸部各自回到原來居住的地方，開通道路，設置郵驛，掩埋屍骨，慰問疾苦，劃定部落地界，恢複生產，凡被沙缽羅可汗擄掠的財物、牲畜等，全部歸還原主，十姓部落像原來一樣相安無事。安西都護府遷回高昌故地。
凱旋歸來的蘇定方在都城長安舉行了隆重的昭陵、太廟獻俘禮儀。皇帝李治來到殿前，定方身穿將軍服押著賀魯獻上。西突厥滅亡後，大唐劃分那裏的土地為州縣，一直到達西海（今鹹海東經60°北緯45°）。蘇定方因功升遷為左驍衛大將軍，封邢國公，另封其兒子蘇慶節為武邑縣公。仁軌官升一級，封為壯威將軍，移師防守大唐東北邊疆，防禦靺鞨、高句麗、百濟等。
顯慶三年（公元658年）五月二日，安西都護府又遷至龜茲，升格為安西大都護府。“西域既平，遣使分往康國及吐火羅國，訪其風俗物產及古今廢置，盡圖以進，因令史官撰西域圖誌六十卷”。原臣服於西突厥的中亞諸國紛紛降附，整個西域置於唐朝的掌控之下。唐依兩廂分治的策略，在西突厥故地分別設置濛池都護府和昆陵都護府。並將西突厥“其所役屬諸國皆置州府，西盡波斯”（今伊朗）。
顯慶四年（659年）九月，“詔以石、米、史、大安、小安、曹、拔汗那、北拔汗那、悒怛、疏勒、朱駒半等國置州縣府一百二十七”，並隸屬於安西大都護府。
中亞河中地區府、州分布：康國置康居都督府（今烏茲別克斯坦撒馬爾罕）、石國瞰羯城置大宛都督府（今烏茲別克斯坦塔什幹）、米國缽息德城置南謐州（今烏茲別克斯坦朱馬巴劄爾）、史國乞史城置佉沙州（今烏茲別克斯坦沙赫裏夏勃茲）、安國阿濫謐城置安息州（今烏茲別克斯坦布哈拉）、東安國（小安）喝汗城置木鹿州（今烏茲別克斯坦布哈拉東北）、拔汗那國渴塞城置休循州（今烏茲別克斯坦塔什幹東南）、何國置貴霜州（今烏茲別克斯坦撒馬爾罕西北）。
蘇定方對西突厥實行分化和重點打擊相結合的方略，攻守兼施，出其不意，窮追猛打，終獲大勝，大唐帝國的勢力也因此延伸至中亞。其踏雪夜追沙缽羅一幕堪稱唐代著名邊塞詩《塞下曲》的真實寫照：“月黑雁飛高，單於夜遁逃。欲將輕騎逐，大雪滿弓刀”。