突厥军队主要集中两翼进攻，而较为忽视正面，在两面遭到唐军居高临下的痛击后，有些招架不住，便开始仓皇撤退，两翼不敌，中间正面战力薄弱，又是不敌苏定方的亲自作战，两两溃退。见突厥大军呈现败退之势态，苏定方率领骑兵乘胜追击，一时间河谷被鲜血染红，三十里河谷的狭长战线，成为苏定方追击得胜的激战线，唐军斩杀突厥人马数万，一举击溃了西突厥的元气。西突厥方面，贺鲁未曾想到败退，便带着残兵仓皇逃命去了。
苏定方平定西突厥，作战示意图
此后，便是贺鲁不断西逃，苏定方则是率兵追击，且战且收服沿线之西域部族，并就地安置各族，开通道路设置驿站，沿线地区也正式归入唐朝安西都护府治下。追击大军，最终一路追至今哈萨克斯坦与新疆交界附近，将贺鲁俘获，从此，西突厥灭亡，天山南北尽归唐朝版图，苏定方留下安西驻军后，便是携西突厥战俘返回长安。
此平定西突厥之战，苏定方功劳甚大，受高宗封为邢国公。
