安西军和北庭军有时会展开联合军事行动。
开元二十七年（739年），突骑施汗国内乱，唐玄宗令碛西节度使盖嘉运统率北庭、安西军攻击。北庭唐军在索虏城击破吐火仙可汗军；安西唐军则偷袭怛罗斯城成功，击破了黑姓可汗尔微特勒。
天宝年间，高仙芝统率安西军，先后取得了讨伐小勃律、朅师国、石国、突骑施等国的军事胜利。
通过这些战争的胜利，高仙芝不仅"瑟瑟十馀斛，黄金五六橐驼，其馀口马杂货称是，皆入其家"，而且还得到了开府仪同三司、右羽林大将军的荣誉。
随后高仙芝率安西军征战怛逻斯，以两万唐军便和大食军及当地联军对战五日不落下风，但葛逻禄人突然倒戈，致使唐军战败，高仙芝带着数千人突围成功，返回了安西。
