同年五月，在镇苏定方大败高勾丽之后数日，高宗皇帝又下令发兵征讨西突厥。苏定方因在此前征讨东突厥和高句丽时作战英勇、表现出色而得到重用，被任命为前军总管。唐朝当时国力鼎盛，马壮兵强，西突厥大军不及防，狼狈逃窜，唐军大获全胜。但因朝廷内部武后与长孙无忌争权，军中各派貌合神离，征讨之事被耽搁。但经此一战，苏定方的军事才能得到了高宗李治的认可。他被提拔为帅，不久之后率兵再次征讨西突厥。
显庆二年正月，唐高宗下令，以苏定方为行军大总管，集回纥、汉兵万余人，再次征讨西突厥。十月，苏定方大军行至金山以北，攻陷处木昆部，定方安抚当地居民，征发一千骑兵随同唐军行进，继续前进。
西突厥沙钵罗可汗，轻视唐军兵少，指挥大军左右两翼展开，企图将唐军一举合围。面对强敌，苏定方临危不乱。他命步兵占据南原高地，结成严密的防御阵型；自己亲率骑兵在北原列阵。突厥军冲击唐军步兵高地，但因为是仰攻，骑兵难以发挥作用，突厥骑兵伤亡惨重，自乱阵脚。此时苏定方，抓紧时机，率骑兵从北原高地迂回至突厥军侧翼展开突击。突厥军猝不及防，大败而逃，唐军追击三十里，斩首数万，一举击溃西突厥十部主力。为唐军最后平定西突厥奠定了坚实的基础。
第二天天降大雪，平地雪深二尺，唐军连续鏖战，非常疲惫，诸将都请求稍事休整，待雪过天晴后再进行追击。但苏定方深得卫公李靖的真传，知兵贵神速的道理。他判断天降大雪，突厥大军定然以为唐军要停下休整，此时进攻，能出其不意，若等突厥大军逃远，就再难追上。在苏定方的严厉督促下，唐军日夜兼程，追赶沙钵罗可汗。
果然不出定方所料，沙钵罗可汗以为唐军不会冒险前进，并没有逃远，而是扎营休整。他甚至还想去打猎放松一下。等到苏定方带着大军直突他的的营帐，他才反应过来，仓皇中带着两个儿子狼狈逃往石国。这时苏定方才停下来休整，安抚西突厥十姓部落，并命副将萧嗣业带兵进军石国，继续追击沙钵罗。在唐军的强大攻势面前，石国城主，很快便绑了沙钵罗交萧嗣业，至此西突厥十部全部平定。
