贞观八年六月，唐太宗任命左骁卫大将军段志玄为西海道行军总管，左骁卫将军樊兴为赤水道行军总管，率领唐朝边防军以及契苾、党项的部众，向吐谷浑发起进攻。十月二日，段志玄进攻吐谷浑，唐军击败吐谷浑军队，乘胜追击，追赶八百多里，一直追到距离青海三十里的地方。段志玄和左骁卫将军梁洛仁不愿再战，遂命令军队停止前进，致使吐谷浑人得以赶上青海附近的马匹逃掉了。副将李君羡率领精锐骑兵从小路穿插，在青海湖以南的悬水镇赶上了吐谷浑人，俘获了两万多头牛羊而还。
此时，吐谷浑王伏允年老，信任大臣天柱王，不仅屡屡侵扰唐朝边境，而且又扣留了唐朝使者、鸿胪丞赵德楷，唐太宗派人前去交涉，使者去了十趟，依然无果；唐太宗又亲自接见吐谷浑使者，当面晓谕祸福，但伏允却置之不理。实际上，在经过了数年的休养生息，唐朝国力已大大增强，屡屡骚扰唐朝边境，并时刻威胁到唐朝与西域联系的吐谷浑已成了唐朝必须拔掉的一颗钉子。
在段志玄率领的唐军退去之后，吐谷浑又于十一月十九日向凉州发起了报复性进攻，接到战报后，唐太宗随即于二十一日下诏大举讨伐吐谷浑。当时，尚书右仆射李靖刚刚因病请求辞职，唐太宗想以李靖为统兵元帅，因其年老（李靖时年64岁），不想让其劳累，李靖听说后，主动请缨，唐太宗大喜。十二月三日，唐太宗任命李靖为西海道行军大总管，统领各军；兵部尚书侯君集为积石道行军总管；刑部尚书、任城王李道宗为鄯善道行军总管；凉州都督李大亮为且末道行军总管；岷州都督李道彦为赤水道行军总管；利州刺史高甑生为盐泽道行军总管，率领突厥、契苾之众向吐谷浑发起了前所未有的大举进攻。其中，突厥军队由突厥酋长、左领军将军执失思力率领；契苾部众则由契苾酋长、左领军将军契苾何力率领。
各总管前面所加之地名，均为吐谷浑境内的要地，也是该路军进攻的目的地，其中：李靖的西海道，是指吐谷浑都城伏俟城一带，在今青海省海南藏族自治州共和县石乃亥乡铁卡加村西南，俗名铁卡加古城。侯君集的积石道，是指青海省积石山一带。李道宗的鄯善道，是指鄯善郡（当在新疆境内）。李大亮的且末道，是指且末郡（当在新疆且末县附近）。李道彦的赤水道，是指隋朝设置的河源郡一带，即赤水城（今青海兴海县桑当乡夏塘古城）。高甑生的盐泽道，是指青海省茶卡盐池一带。
得知唐军将要大举进攻，吐谷浑先发制人，煽动归顺唐朝的党项部落，贞观九年（公元635年）一月，这些党项部落纷纷叛降了吐谷浑；三月十四日，洮州（今甘肃省临潭县）的羌族也叛归吐谷浑，并杀害了唐朝洮州刺史孔长秀。当时，盐泽道行军总管高甑生正率军经过此地，遂发兵进攻发动叛乱的羌族，将其击败。同月，李靖率领大军齐集鄯州（今青海省海东市乐都区），与众将商议下一步的进攻计划。侯君集对李靖说：“我大军已经来到此地，但敌人尚未逃入深山，应当挑选精锐部队，长驱直入，出其不意，一定能取得大胜。如果不这样，等到敌人远远逃走，依托山险，负隅顽抗，清剿起来会非常困难。”李靖觉得侯君集说得有理，遂下令在挑选军中的精锐，携带少量粮食，向吐谷浑境内杀来。
闰四月八日，任城王李道宗在库山（一说今青海省天峻县南的库库诺尔岭，一说在今青海省湟源县日月山，今从后者）追上了吐谷浑军队。吐谷浑依托险阻，殊死搏斗，李道宗率领一千多骑兵偷偷从山后摸了上来，吐谷浑腹背受敌，顿时一片大乱，被俘虏了数百人。李靖部将薛孤儿率领轻装骑兵在曼头山击破吐谷浑，俘虏五百多人，缴获了大批牲畜。二十八日，李靖率领大军又在牛心堆（今青海省湟中县西南）击破吐谷浑。
伏允焚烧野草，坚壁清野，率领轻装骑兵逃入沙漠（《旧唐书?李靖传》称：大非川，一说今青海省共和县切吉旷原；一说在今青海湖以西的布哈河）。
一百五十三、讨伐吐谷浑（2）
李靖与众将商议下一步的作战计划。
众将都认为：“春草未生，马已瘦弱，不可深入。”李道宗也说：“柏海（今青海省玛多县的鄂陵湖、扎陵湖）接近黄河源头，自古以来就很少有人到过那里，敌人既然已经西逃，我们又不知其逃到了哪里，如今行动，全得依靠马力。可是，马匹已经疲惫不堪，军粮又非常短缺，长途跋涉非常困难，倒不如暂时返回鄯州，等到马肥之后再说。”但侯君集却反对道：“不对。上次，段志玄大军刚撤到鄯州，敌人就已经进抵城下了，这就是因为敌军还很完整，部众还替他卖命。如今，一战将其击败之后，敌人已分崩离析，四散而逃，侦察部队也没有留下，君臣离心，父子走失，我们趁机进攻，如同从地上捡拾草根一样容易，这种机会不抓住的话，将来肯定会后悔的！”
李靖再次听从了侯君集的意见，他将唐军一分而二：
北路军，由李靖率领薛万均、薛万彻、李大亮、契苾何力等人的部队，行军路线大致是：由库山，出曼头山，渡过赤水（今青海省东南恰不恰河上源），越过青海，经过河源（今青海省都兰县以南一带）、且末，一直达到吐谷浑的最西部；南路军，由侯君集、李道宗统领，行军路线大致是：经过破逻真谷（大约在青海省东南大非川以东），翻越汉哭山，转战星宿川（今青海省星宿海），直到柏海。
五月，李靖等人翻越曼头山，西北经过青海湖南，进抵赤水。唐军与吐谷浑军多次交战，连连获胜，生擒伏允的心腹大臣高昌王慕容孝隽。薛万均、薛万彻兄弟轻敌冒进，结果被吐谷浑天柱王包围，唐军战死了十分之七八，几乎全军覆没，主将薛万均、薛万彻兄弟也受伤，落下马来，徒步搏杀。就在这千钧一发之际，契苾何力率领数百契苾部众及时赶到，突入重围，所向披靡，将吐谷浑军击溃，唐军这才反败为胜，缴获吐谷浑牲畜三十多万。
赤水之战后，唐军就打开了通往吐谷浑王城伏俟城的道路，李靖很快就率领唐军主力攻克了伏俟城。李靖驻军伏俟城，命令李大亮、薛万均、薛万彻、契苾何力等将率军继续西进，穷追猛打，一直追赶伏允，直到河源。伏允逃入黑党项部落，被安置在空闲之地。李大亮率领的唐军又在蜀浑山（今青海省西南，胡三省注称，在赤水以西）击败吐谷浑，生擒其名王二十人，缴获牲畜五万。执失思力则在居茹川（今地不详）击败吐谷浑。伏允继续西逃，经今天的青海柴达木盆地，进入且末。李靖命令李大亮等将跟踪追击，尾随而至。等到唐军来到且末之后，又听说伏允又逃到突伦碛（今新疆且末县以西的沙漠腹地），将要逃往于阗（今新疆和田县）。契苾何力打算率军追击，可是薛万均却对自己不久前冒进心有余悸，坚决不从。契苾何力说：“敌人并无城池，只是随水草而迁徙，如果不趁其集中在一起时予以歼灭，等到他们分散之后，岂能捣毁他们的巢穴？”于是，他亲自挑选了一千多名精锐骑兵，直扑突伦碛，薛万均率领大军随后进发。沙漠中没有水源，唐军将士们刺马出血，靠喝血解渴。契苾何力率领的唐军终于找到了伏允的牙帐，伏允万万没有想到唐军竟然追到这里，仓皇而逃，唐军斩杀数千人，缴获二十余头牲畜，生擒伏允的妻子，可惜的是伏允再次逃脱。不过，这次伏允身边仅有一百多骑兵，彻底变成了孤家寡人，十余日后，他就被部下杀害了。一说，伏允是走投无路，自杀了。
再说南路军。
侯君集和李道宗率军穿过破逻真谷，翻越汉哭山，进入无人区，艰苦跋涉两千多里，生擒吐谷浑名王梁屈忽。当时，正值盛夏，这里却降下严霜，山上还是白雪皑皑，其地没有水草，将士吃冰，马匹吃雪。唐军边走边打，屡战屡胜，一直打到星宿川，最后来到柏海。唐军将士北望积玉山，观赏黄河源头，而后胜利回师，与李靖所部在大非川会合。
当北路军和南路军转战几千里、对吐谷浑穷追猛打之时，驻扎在青海湖附近的元帅李靖也加紧对吐谷浑残余势力的清剿。伏允的长子大宁王慕容顺是隋朝公主之子，长期作为人质扣留在隋朝，伏允后来就立了其他的儿子为太子，等到唐朝建立后，慕容顺被唐高祖放归，却失去了太子之位，内心一直十分失意。李靖大破吐谷浑后，吐谷浑部众对一直专权、又采取与唐朝为敌政策的天柱王怨声载道，慕容顺趁机杀死了天柱王，率领部众向李靖投降。不久，伏允的死讯传来，吐谷浑国人遂拥立慕容顺为可汗。
五月十八日，李靖向唐太宗报捷，称已削平吐谷浑，二十一日，唐太宗下诏特许恢复吐谷浑国，以慕容顺为西平郡王、趉故吕乌甘豆可汗。唐太宗担心慕容顺无力控制下属，还特意命令李大亮率领数千唐军驻扎在吐谷浑国边境，为其声援。