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，迅速推进到距龟兹都城伊逻卢城三百里的碛口。伊州刺史韩威率领一千余人的骑兵队作为前锋，右卫将军曹继叔率部紧随其后。
龟兹国王布失毕和国相那利亲率一支五万人的军队，驻守在多褐城外严阵以待。
韩威的骑兵团进抵多褐城，率先向龟兹军队发动进攻。双方刚一交锋，韩威就佯装不敌，迅速后撤。布失毕大喜，当即下令追击，准备一举吃掉这支冒险犯难的唐军，以鼓舞国人士气。龟兹军队刚刚追出三十里外，曹继叔的兵团就赶到了，韩威随即掉头反扑。龟兹军仓惶后撤，唐军咬住不放、穷追猛打，龟兹军大败，连多褐城也不要了，一路向北狂奔。韩曹兵团一直追击了八十余里才勒住缰绳。
阿史那社尔命大军就地休整，数日后再度开拔，直抵龟兹都城伊逻卢城（今新疆库车县）。布失毕知道自己不是唐军的对手，只好率少数轻骑继续西逃。阿史那社尔顺利拿下伊逻卢，命郭孝恪镇守，随后命将领苏海政、薛万备（薛万均、薛万彻的弟弟）率精锐骑兵追击。布失毕不敢回头，一口气逃到了六百里外的拔换城（今新疆阿克苏市）。
这是龟兹人的最后一个据点，也是地形最为险要、防御工事最坚固的一座要塞。
无路可退的龟兹国王布失毕只能在此与唐军决一死战。
阿史那社尔的远征军在此遭遇了龟兹之役中最艰难的一场战斗。尽管唐军依靠强大的兵力和攻城武器日夜猛攻，但是龟兹军却据守险要进行了顽强的抵抗。
这场攻城战整整打了四十天，双方都付出了极大的伤亡。到了闰十二月一日，唐军终于攻破拔换城，生擒了龟兹国王布失毕。
可是，龟兹国相那利却逃脱了唐军的追捕，潜逃至西突厥，很快就搬来一支援兵，并且纠集残部，与突厥骑兵共计一万余人，迅速杀向郭孝恪镇守的伊逻卢，准备夺回都城。
此刻，阿史那社尔率领的唐军主力远在拔换城，郭孝恪手中的兵力非常薄弱，只有一千余人。面对龟兹人的凶猛反扑，他们能抵挡得住吗？
很可惜，唐军没有能够挡住。
因为当时郭孝恪和他的军队并不是驻守在城内，而是在城外扎营。
他之所以驻扎在城外，是因为伊逻卢外围还有一些龟兹军队没有投降，郭孝恪为了对付他们，干脆就在野外扎营，所以当那利军队突然杀来的时候，郭孝恪根本无险可守。
这个不利因素是导致郭孝恪失败的原因之一。
其次，郭孝恪自从进入西域担任安西都护以来，几乎就没打过败仗，这一点导致了他的麻痹和轻敌。
其实早在那利军队抵达伊逻卢之前，就已经有一个龟兹人向他提出了善意的警告。那人提醒郭孝恪说：“那利担任国相期间深得人心，如今他虽然逃亡在位，但是仗着在国内的根基，必定不会善罢甘休，很可能会有所行动。而且伊逻卢城内的人也不是真心归顺，大多心怀异志，您应该小心防备。”
然而，这些警告却被郭孝恪当成了耳旁风。
志骄意满、麻痹轻敌是导致郭孝恪失败的另一个重要原因。
所以，当郭孝恪察觉到那利大军已经兵临城下，一切为时已晚。城中的内应迅速为那利打开了城门，等到郭孝恪率部冲进城中，那利军队一部分已经登上城墙，另一部分占据了王宫。郭孝恪率部力战，冒着如蝗箭矢一度杀到王宫，但是终因寡不敌众，被迫又撤了出来。当郭孝恪和长子郭待诏带着士兵们退至西门时，城上万箭齐发，父子二人壮烈殉国。
就在郭孝恪率部与那利军队鏖战的同时，城中的另一个地方也发生了一场激烈的战斗。
这是唐军的军用物资仓库。
守卫的将领是仓部郎中崔义超。由于崔义超的兵力薄弱，所以当城中骚乱一起的时候，崔义超就紧急招募了二百名死士，全副武装保卫这个重要的军事据点。龟兹叛军对这个军需仓库连连发起进攻，均被崔义超和他的勇士们击退。因此当整座城池几乎全部沦陷的时候，唯独这个至关重要的军事据点始终掌握在唐军手中。
虽然那利军队的反扑非常有力，但是伊逻卢城最终还是被唐军夺了回来。
因为在该城的西北部还驻扎着曹继叔和韩威的部队。当天傍晚，曹韩兵团就杀进伊逻卢城，与那利军队激战了整整一夜。至次日凌晨，那利终于抵挡不住唐军的进攻，率残部退至伊逻卢的北部山区，城中扔下了三千具龟兹士兵的尸体。
十几日后，不甘失败的那利再度纠集一万多人的部队，第二次反攻伊逻卢。
但是这一次唐军已是严阵以待，那利不可能再捞到上回那样的便宜了。曹韩兵团主动出城迎战，大破那利军队，斩首八千级。
那利单骑脱逃，最后被亲唐的龟兹人抓获，绑送到了唐军军营。
那利战败被俘，令龟兹人彻底丧失了抵抗的勇气。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。
用武力征服龟兹后，阿史那社尔开始使用安抚手段，召集归降的龟兹各城主、高阶文武官员、以及一些缙绅父老，向他们宣扬大唐天可汗的无上权威，并且重申唐朝军队是吊民伐罪的正义之师，此次用兵的目的并不是为了消灭龟兹。随后，为了证明他所说的话，阿史那社尔当即宣布，改立布失毕的弟弟为新的龟兹国王。
龟兹人闻言大喜。
谁当国王他们可不在乎，只要唐朝不把龟兹从这个世界上抹掉、不把龟兹人变成唐朝的二等公民，他们就阿弥陀佛、谢天谢地了。
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。
此役的胜利，标志着在与西突厥争夺西域的较量中，唐朝笑到了最后。
阿史那社尔在龟兹立下一块石碑，把大唐远征军取得的赫赫武功永远镌刻在了碑石之上，然后班师凯旋。