玄奘在龜茲停留兩月後，又登程西行，經跋祿迦國（今阿克蘇一帶）沿阿克蘇河、庫馬力克河，到達天山南麓淩山山口。這裏是翻越天山的一個重要通道。其艱苦和危險難以想像，經過這個通道往往要付出生命的代價。前文已記述過玄奘一行經此畏途時觸目驚心的情景，玄奘本人對這次驚險經曆，寫下了一篇叫人過目難忘的美文：“其山險峭，峻極於天，自開辟以來，冰雪所聚，集而為淩，春夏不解，凝冱汗漫，與雲連屬，仰之皚然，莫睹其際，其淩峰摧落，橫路側者，或高百尺，或廣數丈，由是蹊徑嶇崎，登涉艱阻，加以風雪雜飛，雖複履重裘，不免寒戰，將欲眠食，複無燥處可停，唯知懸斧而炊，席冰而寢。七日之後方始出山，徒侶之中，凍死者十有三四，牛馬愈甚。”曆此磨難，仍矢誌西行，玄奘不愧為頂天立地偉男子。玄奘所記，令山河唏噓慨歎，叫草木零落動情。
過了雪山，抵達大清池（熱海，今吉爾吉斯斯坦的伊塞克湖），沿湖北行來到碎葉城。玄奘在這裏遇到西突厥的葉護可汗，受到熱情接待，可汗還派人護送玄奘。玄奘經過中亞名城江布爾、塔什幹，渡過藥殺水（今阿姆河），到阿富汗地界，又登上帕米爾高原，經過一個更加險要的隘口“鐵門”，兩旁山勢奇峻、石壁陡立，興都庫什雪山一帶比淩山更艱險。天竺的僧人驚歎於玄奘的獻身精神，主動帶領玄奘瞻拜各國佛教勝跡。
玄奘曆經磨難，巡遊了中印度六大佛教聖地，終於到達目的地摩揭陀國。這是古代印度著名的大國，佛祖靜慮佛成的菩提樹就在這裏。玄奘在菩提樹前五體投地，悲淚洗麵，虔誠之情感動了在場的數千人。摩揭陀國最著名的那爛陀寺，派僧人將玄奘迎入寺內。從此，玄奘憑他探求真理的決心和意誌，頑強不屈的犧牲精神，終於找到了實現弘願的理想之所。
玄奘追蹤聖賢，神遊佛國，為學習佛經法理更是傾注了全部心血。他勇於探求佛學精髓，善於雄辯真偽底裏，成為印度佛學的飽學之士，很快就確立了他在印度佛教界的崇高地位。
在印度學經求法十多年，玄奘思念祖國，決計返回。戒日王、鳩摩羅王及眾僧一再挽留，但玄奘歸心已定，不可動搖。於是在公元643年動身回國，攜帶佛教經典650部，翻越興都庫什山和蔥嶺，重曆登危履險之難，再嚐踏雪涉沙之苦，經疏勒國（今喀什）、莎車、葉城等地到達於闐國。
玄奘在於闐停留期間給唐太宗寫了封信，派人隨商隊將信帶到長安。信中說他為了尋求佛教經典，“常思訪學”，甘冒朝廷禁令，“無顧身命”，“私往天竺”，沿途苦行五萬餘裏，曆時一十七載。現已學成並取得大批經典，請求準予回國。唐太宗接信後非常高興，派人送來敕諭，說：“聞師訪道殊域，今得歸還，歡喜無量，可即速來與朕相見。”並囑咐玄奘將印度梵語經卷及有關書籍，都帶回長安，還安排於闐等國護送，到了鄯善由敦煌官司前來迎接。
玄奘本欲重返高昌，踐約與麴文泰相會，得知該王已辭世多年，便於公元645年春天回到長安。當玄奘乘船渡河人城時，趕來歡迎的百姓在街上川流不息。船上載滿從印度運回的經典和佛像，那穿著異樣的中年僧侶，正是曆盡19年艱辛，正是夢幻般從遙遠的天竺佛國取經歸來的唐僧玄奘。唐太宗召見了玄奘，朝廷給了他優厚的款待。但當太宗讓他還俗做官時，玄奘立即表示婉謝，並重申“願得畢身行道”的決心。太宗隻好讓玄奘到慈恩寺主持譯經，還專修一塔收藏他帶回的經典，這就是西安著名的大雁塔。
玄奘此後經曆了19年的譯經生涯，《大般若經》長達600卷，譯成後被稱為“鎮國之典，人天大寶”。至公元664年，共譯出佛經75部，1335卷，在中國佛教史上，這次譯經最多。玄奘有很高的漢文化修養，又精通梵文，所以譯文流暢優美，又貼切原意。將以往人們俗稱的“天竺”正式改稱為印度，就是由玄奘確定下來的。