苏定方抵达曳咥河西岸，沙钵罗可汗率领十姓部落的兵力将近十万人前来抵抗。苏定方率领唐朝军队以及回纥一万多人迎击。沙钵罗可汗轻视苏定方兵力稀少，径直进军包围唐军。苏定方命令步兵占据南原，将长矛密集排列向外，自己率领骑兵在北原布阵。沙钵罗可汗先攻打步兵，三次冲击都没有攻破，苏定方率领骑兵发起进攻，沙钵罗可汗大败，苏定方追击三十里，斩杀俘获数万人；第二天，整顿军队继续进军。于是胡禄屋等五弩失毕部落全部前来归降，沙钵罗可汗独自与处木昆屈律啜率领几百名骑兵向西逃走。当时阿史那步真从南道进军，五咄陆部落听说沙钵罗可汗战败，都前往阿史那步真处归降。苏定方于是命令萧嗣业、回纥婆闰率领胡人军队前往邪罗斯川，追击沙钵罗可汗，苏定方与任雅相率领新归附的部众随后跟进。恰逢天降大雪，平地积雪二尺，军中都请求等天晴后再进军，苏定方说：“贼寇依仗雪深，认为我们不能进军，必定会让士兵和马匹休息。迅速追击就能赶上，如果拖延，他们就会逃得越来越远，再也无法追上，省时省力、事半功倍，就在此时！” 于是踏雪昼夜兼行，所过之处收编沙钵罗可汗的部众，抵达双河，与阿史那弥射、阿史那步真的军队会合，距离沙钵罗可汗的牙帐还有二百里，苏定方部署阵势，长驱直入，径直抵达沙钵罗可汗的牙帐。沙钵罗可汗正与部下打猎，苏定方乘其不备，发兵进攻，斩杀俘获数万人，缴获了他的鼓和大旗，沙钵罗可汗与儿子咥运、女婿阎啜等人逃脱，逃往石国。苏定方于是停止进军，让各个部落返回自己的居住地，开通道路，设置邮驿，掩埋骸骨，慰问疾苦，划分疆界，恢复生产，凡是被沙钵罗可汗掠夺的财物，全部搜括归还，十姓部落安居乐业，如同从前一样。苏定方于是命令萧嗣业率军追击沙钵罗可汗，自己率领军队返回。
沙钵罗可汗抵达石国西北的苏咄城，人马饥乏，派人携带珍宝入城购买马匹。城主伊沮达官假意用酒食出城迎接，引诱沙钵罗可汗入城，然后关闭城门将他擒获，送往石国。萧嗣业抵达石国后，石国人将沙钵罗可汗交给了他。
乙丑日，朝廷分割西突厥的土地，设置蒙池、昆陵二都护府，任命阿史那弥射为左卫大将军、昆陵都护、兴昔亡可汗，统领五咄陆部落；任命阿史那步真为右卫大将军、蒙池都护、继往绝可汗，统领五弩失毕部落。派遣光禄卿卢承庆持节前往册封，仍然命令阿史那弥射、阿史那步真与卢承庆根据各个部落归降者的情况，按照部落大小、地位高低，授予刺史以下的官职。
丁卯日，朝廷将洛阳宫改为东都，洛州官吏的编制和品级都与雍州相同。
这一年，高宗下诏：“从今以后，僧尼不得接受父母及尊长的礼拜，有关部门要明确制定法令加以禁止。”
任命吏部侍郎刘祥道为黄门侍郎，仍然掌管吏部选拔官员的事务。刘祥道认为：“如今吏部选拔官员过于泛滥，每年进入仕途的人数，超过一千四百人，杂色入流的官员，从未经过选拔考核。如今朝廷内外的文武官员，从一品到九品，共有一万三千四百六十五人，按照三十年的时间计算，这一万三千多人几乎都会被替换殆尽。如果每年进入仕途的人数控制在五百人，就足以满足国家的需要。希望能加以改革。” 不久，杜正伦也上奏说进入仕途的人数太多。高宗命令杜正伦与刘祥道详细商议，但大臣们害怕改革，事情最终搁置下来。刘祥道是刘杜甫的儿子。
高宗天皇大圣大弘孝皇帝上之下显庆三年（戊午，公元 658 年）
春季正月戊子日，长孙无忌等人献上所修订的新礼；高宗下诏令朝廷内外施行。此前，议论的人认为贞观年间的礼仪条文不够完备，因此命令长孙无忌等人加以修订。当时许敬宗、李义府专权行事，对礼仪的增减大多迎合皇后的旨意，学者们都对此有非议。太常博士萧楚材等人认为预先准备丧葬礼仪，不是臣子所应当谈论的；许敬宗、李义府深表赞同，于是焚烧了《国恤》一篇，从此丧葬礼仪就缺失了。
起初，龟兹王布失毕的妻子阿史那氏与宰相那利私通，布失毕无法禁止，因此君臣之间相互猜忌，各自结成党羽，相互前来朝廷告发对方。高宗两次召见他们，他们抵达长安后，高宗囚禁了那利，派遣左领军郎将雷文成护送布失毕返回龟兹。抵达龟兹东境的泥师城时，龟兹大将羯猎颠发动部众抵抗，并且派遣使者向西突厥沙钵罗可汗投降。布失毕据城自守，不敢前进。高宗下诏命令左屯卫大将军杨胄发兵讨伐羯猎颠。恰逢布失毕病逝，杨胄与羯猎颠交战，大破敌军，擒获羯猎颠及其党羽，将他们全部诛杀，于是在龟兹设置龟兹都督府。戊申日，立布失毕的儿子素稽为龟兹王兼都督。
二月丁巳日，高宗从东都出发；甲戌日，抵达京师长安。
夏季五月癸未日，朝廷将安西都护府迁移到龟兹，将原来的安西改为西州都督府，镇守高昌的