661年新继任的回纥首领与唐为敌。李治任命右屯卫大将军郑仁泰为主将，薛仁贵为副将领兵赴天山攻打九姓铁勒。临行前李治特在内殿赐宴，在席间他对薛仁贵说：古代有善于射箭的人，能穿透七层铠甲，你射五层给我看看。薛仁贵应命置甲取弓箭射去，只听弓弦响过箭已穿五层铠甲而过。李治看后大吃一惊，当即命人取坚甲赏赐薛仁贵。
郑仁泰薛仁贵率军赴天山后九姓铁勒拥众十余万来抵挡他们，并命令骁勇骑士数十人前来挑战。薛仁贵临阵发三箭射死三人，其余骑士慑于薛仁贵神威都下马请降。薛仁贵乘势挥军掩杀大败九姓铁勒并坑杀降卒。薛仁贵又越过碛北追击铁勒败军，擒获铁勒首领兄弟三人。薛仁贵收兵后军中传唱：将军三箭定天山，壮士长歌入汉关。
薛仁贵不止有光环，他也有不光彩的一面。此次出征薛仁贵把他部下抓来的铁勒族女人当作妾，还接受了很多贿赂赠送的财物。有关官员向李治检举弹劾，李治因薛仁贵立下大功而宽恕了他。
666年高句丽权臣渊盖苏文病死，其子泉男生继掌国事。泉男生的兄弟泉男建泉男产趁机发难，驱逐泉男生。泉男生投奔唐朝，恳求唐朝发兵相助。李治任命李勣为辽东道行军大总管兼安抚大使，出任辽东前线最高指挥官，薛仁贵也参与了此次征高句丽之役。
