六月二日，得知吐谷浑王伏允脱逃，隋炀帝下令光禄大夫梁默（原为北周猛将梁士彦的奴仆，骁勇绝伦）等人率军跟踪追击，结果兵败，被杀。卫尉卿刘权奉命从伊吾道南下，他们进抵青海（今青海湖），生擒一千多人，又乘胜前进，一直挺进到伏俟城（今青海省共和县西北）。刘权，字世略，彭城人。他年少时是一方豪强，藏匿逃犯，朝廷官吏不敢上门，后改过自新，在北齐任奉朝请、行台郎中。北齐灭亡后，被北周任命为假淮州刺史。入隋后，他历任苏州刺史、卫尉卿，进位银青光禄大夫。
隋炀帝命令刘权率部留在青海，实施屯田。
六月六日，隋炀帝对给事郎蔡征说：“自古以来天子都有巡视西方的惯例，可是江东的历代皇帝却终日搽脂抹粉，坐在深宫之中，不与百姓们相见，这是什么道理？”蔡征回答：“这也是他们都很快灭亡的原因。”六月十一日，隋炀帝抵达了张掖（今甘肃省张掖市）境内。为了博取隋炀帝的欢心，在此之前，裴矩就以重金为诱饵，劝说高昌王麴伯雅、伊吾王吐屯设等人前来朝见。六月十七日，隋炀帝一行来到燕支山（今甘肃省山丹县南八十里的胭脂山），麴伯雅、吐屯设以及西域二十七个小国的国王或者使者都在路边迎候，裴矩令他们都身穿华丽的盛装，佩戴金玉，焚香奏乐，载歌载舞。隋炀帝大喜，又下令张掖、武威两郡的百姓都穿上艳丽的衣服，前来围观，车马、衣服不鲜艳的，由地方官员督促改进，于是，车辆、马匹填满街道，方圆数十里之内是人山人海，显示出隋帝国的强大。伊吾王吐屯设自愿献出西域数千里的土地，隋炀帝非常高兴，六月十八日，他下令在吐谷浑故地上设置了若羌郡（今新疆自治区若羌县）、且末郡（今新疆自治区且末县）、河源郡（今青海省兴海县）、西海郡（今青海省海晏县）四个郡，另设县、镇、戍，把轻刑犯流放到那里担任守边士兵。又命令刘权镇守河源郡积石镇，进行屯田，防备吐谷浑的残余力量，保护通往西域之路。至此，吐谷浑原有辖境，从西平临羌城以西到且末（今新疆自治区且末县）以东，祁连山以南，到大雪山以北东西四千里，南北两千里，全部被隋朝吞并。隋炀帝因裴矩的功劳，而加授其为银青光禄大夫。
六月二十一日，隋炀帝登临观风行殿，展示出盛大的仪仗，邀请高昌王麴伯雅、伊吾王吐屯设登上大殿，其他在台阶下陪侍的尚有二十多个国家的使节，演奏九部乐曲以及杂技节目，赏赐给他们不少财物。二十三日，隋炀帝下令大赦天下。据传说，吐谷浑得到青海湖以后，曾将母马放到湖边放牧，就会有龙前来交配。七月，隋炀帝下令把两千匹母马送到青海湖边，希望能得到龙种，但却无果。大约就在此时，他兴之所至，写下了一首名篇《饮马长城窟行》：“肃肃秋风起，悠悠行万里。万里何所行，横漠筑长城。岂台小子智，先圣之所营。树兹万世策，安此亿兆生。讵敢惮焦思，高枕于上京。北河见武节，千里卷戎旌。山川互出没，原野穷超忽。撞金止行阵，鸣鼓兴士卒。千乘万旗动，饮马长城窟。秋昏塞外云，雾暗关山月。缘严驿马上，乘空烽火发。借问长城侯，单于入朝谒。浊气静天山，晨光照高阙。释兵仍振旅，要荒事万举。饮至告言旋，功归清庙前。”
不久，隋炀帝开始东还，但他们在途经大斗拔谷时却遇到了意想不到的灾难。
大斗拔谷，今名扁都口，位于今甘肃省民乐县东南七十里，是民乐县童子坝河横切北祁连山北麓的一条谷口。这里海拔3000米，谷长五十里，宽不足两里，山高坡陡，地形险要，自古以来为河西走廊南部的重要门户。清陶保廉《辛卯侍行记》中描述：“贯祁连之中，盛夏积雪，当春不芳，鸟道环崖，裁容一轨。途经深涧，溜急石多。夏秋骑步均艰，严冬堕指裂肤。”当隋炀帝们穿行大斗拔谷时，突然天地昏暗，风雪交加，文武百官衣服全部淋湿，又冻又饿，在黑暗中行走，始终走不到前方的宿营地，将士们被冻死了一多半，马驴十分之八九也都冻死了。后宫嫔妃、公主在黑暗中迷失方向，与士兵们混杂在一起，露宿在山谷之中。大约就在此前后，隋炀帝的大姐乐平公主杨丽华病死了。临死之前，她对隋炀帝嘱托道：“我没有儿子，身边只有一个女儿。我不怕死，只是心疼我的女儿女婿。请将我的汤沐邑转给我的女婿李敏继承。”隋炀帝答应了，后李敏食邑增至五千户，并暂代屯卫将军。
九月十九日，隋炀帝回到了长安。十一月十三日，他再度来到洛阳。
吞并吐谷浑后，隋朝进入极盛。当时，天下一共有一百九十个郡，一千二百五十五个县，八百九十万户人。疆域东西九千三百里，南北一万四千八百一十五里。但这种强盛却隐含着危机，而吞并吐谷浑也给隋朝百姓带来了沉重的负担。自从吞并吐谷浑后，从长安各县到西北各郡每年都需要向边疆调运大量的粮食等物资，数量上亿。当时百姓们缴纳赋税要自行负担运输，由于路途遥远，道路难行，又总是被强盗在半路上劫掠，人马往往死在半路，不能顺利送到边地，但地方官员们却认为百姓们是在抗税，往往把人弄得家破人亡，由此，关西地区的百姓们最先陷入困境。
慕容伏允败走后，藏匿在雪山（当指昆仑山）之间，后来，他走投无路，只好率领数千手下依附于党项羌（临洮、西平以西群山中的羌族部落）。过去，慕容伏允曾将儿子慕容顺送到隋朝，隋炀帝将扣留了下来，等隋朝吞并吐谷浑后，隋炀帝任命慕容顺为可汗，将其送到玉门，命其统领吐谷浑的残余部众，又以慕容尼洛周担任宰相。但他们行至西平时，部众哗变，杀死了尼洛周，慕容顺只好又返回了。