在且末躲避的慕容伏允闻报唐军紧追而来的消息后，只得从且末狼狈而逃，沿突伦川（塔克拉玛干沙漠）南麓向西遁走，准备投奔于阗国。此时的慕容伏允，还抱有保存最后的实力、将来东山再起，如同三十年前从撤退的隋军手中收复失地一样，从唐朝再次夺回吐谷浑江山的念头。
契苾合力、薛万均率领追击大军克服沙漠戈壁中的恶劣环境，自人迹罕至的突伦川边缘一路西进。沿路粮草不济、饮水匮乏，唐军便杀马饮其血啖其肉，坚毅顽强，毫不放弃，最终追上了慕容伏允的残军。而吐谷浑残兵经过千里跋涉，士气低落、同时也一样水源断绝，所以早就无心迎战，见唐军犹如天兵从天而降，纷纷抱头鼠窜溃败四散而去。唐军一战消灭吐谷浑最后的残军，斩首数千级，俘获牛马二十余万，慕容伏允的妻子儿女也尽落入唐军之手，只有而慕容伏允本人再次在乱军中率少数侍从潜逃而走。
慕容伏允率最后的亲随逃窜十多天后，因为接连大败、信心丧失，导致亲随们逐渐星散，最后只有数人跟随身边，朝不保夕。在极度的绝望中，慕容伏允在突伦川边缘自缢而亡（一说被亲卫所杀），他的亲随之后携其首级归降追击的唐军。至此，唐军击灭吐谷浑之战圆满落幕。
贞观十年（635年）五月十八，由西海道行军大总管李靖领衔，前线唐军向朝廷告捷，奏报吐谷浑全境平定。唐太宗接到捷报后，考虑再三，最后在于吐谷浑故地建立羁縻州府和扶持亲唐藩属政权之间选择了后者，重新册立吐谷浑可汗，以其为大唐西疆前卫，防范并制约西域诸国。
