李愬和張元甫率軍到達伊州後，當地漢人和其他民族集體反抗，配合唐軍攻打吐蕃人，當地的吐蕃軍自知不敵，迅速向西潰逃，當地軍民向唐軍投誠。
在伊州的漢人中，張氏是大族，張氏首領張文舉率領漢人，帶著物資前來慰問唐軍。李愬看到伊州還有漢人同胞非常高興，張元甫發現這裡有自己的本家，也很興奮，一起攀談了起來。
張文舉說：“伊州是個小地方，各族混居，也是周邊各個勢力爭奪的對象，以前曾經屬於大唐，後麵被吐蕃和回鶻反複爭奪，漢人飽受壓迫，現在終於回到了朝廷的懷抱，伊州的漢人願意為朝廷出力。”
李愬說：“陛下雄才大略，在東線已經徹底擊敗吐蕃，我這次帶兵前來，就是掃除西域的吐蕃殘餘勢力，後麵朝廷還會出兵打擊回鶻，以後伊州可以實現長治久安。既然文舉兄傾心朝廷，我就代朝廷委任你為伊州刺史，你把伊州組織起來，作為我們西征部隊的後方基地。”
張文舉說：“作為漢人，配合朝廷穩定西域，本就是分內之責，我一定會籌集糧秣，保障大軍的行動。”
張元甫說：“大軍遠征，運輸困難，所帶糧草不多，真是要勞煩文舉兄幫我們準備一些，我們也呆不久，過幾天就會西進高昌。”
唐軍在伊州休整三天，補充了糧草後，向高昌（今吐魯番）進發。
高昌又稱西州，位於天山以南的一個盆地裡，也屬於沙漠綠洲小國，吐蕃占領此地後，扶持原高昌王族麴氏建立傀儡政權。唐軍到達後，吐蕃稍作抵抗便向焉耆撤去，高昌麴氏本就是小國，屬於牆頭草，順勢投降唐軍。
李愬認為，高昌國內也有一些漢人，麴氏政權對中原王朝還算和善，沒必要廢除，於是委任高昌王麴達利為西州刺史，要求其效忠於唐朝，並提供唐軍的後勤物資。
伊州、高昌兩地離中原相對較近，以前有不少漢人逃亡過去，所以對待中原政權相對友善，但是繼續往西，形勢就沒有那麼好了。
李愬率軍從高昌往西南行軍，進入焉耆（今新疆焉耆）境內。焉耆國民風彪悍，喜歡搶掠，看到唐軍後並未臣服，反而多次聯合吐蕃人偷襲唐軍。李愬大怒，見到焉耆軍隊就是一陣猛射，大舉猛攻，一直打到焉耆城下。
唐軍到焉耆城外駐紮後，焉耆和吐蕃軍隊居然乘夜偷襲唐軍，令唐軍蒙受一些損失，李純和張元甫都怒了，打退焉耆人以後，第二天架起大炮、***對著焉耆城就是連續的猛轟。
焉耆人從來沒有見過這麼猛烈的炮火，被打傻了，被炸的抱頭鼠竄，難以抵擋，吐蕃人看到形勢不利，立即向西逃竄，往龜茲退去。
唐軍第一天轟了一天，第二天就從轟開的城牆衝進去，遇到敢於抵抗的焉耆軍隊就射殺，一直衝到焉耆王宮，捉住其國王及其他王族。
李愬覺得，一個小國居然也敢跟唐軍對抗，不殺一儆百，西域其他各國就不知道敬畏，唐軍經過簡單審問後，將焉耆國王和其他幾十個主張抵抗唐軍的大臣和將領全部斬首。
李愬率軍在焉耆多待了幾天，徹底清除焉耆的反唐勢力，扶持一個親唐的大臣為焉耆國王，獲取足夠的軍用物資後，唐軍向龜茲（今新疆庫車）進發。
龜茲屬於安西一個較大的藩國，其國主與吐蕃公主聯姻，忠於吐蕃。而且吐蕃勢力一路退來，退無可退，也不知道論恐勒那邊已經打到本土，篡奪政權，決定在龜茲拚死一戰，打退唐軍。
吐蕃軍和龜茲軍共拚湊了約四萬軍隊，由吐蕃將領諾延頓率領，諾延頓明知野戰打不過唐軍，決定堅壁清野，據龜茲城防守。
李愬也覺得一直追擊，吐蕃人一直在逃，總算逮到其主力，決定在龜茲城狠狠教訓吐蕃在西域的殘餘兵力，絕不能讓其繼續逃跑，對於敢於對抗大唐的龜茲國，也要猛揍一頓。
五萬唐軍將龜茲城圍定以後，李愬還是按照常規，先派出人員勸降，吐蕃人怕龜茲人動搖，直接向勸降人員射箭，好在唐軍提前有所準備，用盾牌護住勸降人員返回。
剩下的就沒什麼好說的，唐軍直接進行炮火轟擊，唐軍集中在東門進行重點火力打擊，龜茲城東門被炸塌，多段城牆被損毀，城牆上的吐蕃軍、龜茲軍被炸的鬼哭狼嚎。一部分吐蕃軍向西門突圍，這裡的唐軍早就嚴陣以待，又是一頓槍炮侍候，又把他們打回去。
連續攻打了三天，龜茲城被打的一片狼藉，毫無還手之力。李愬也不想趕儘殺絕，就又派人勸降，如再不投降，就夷平龜茲城。諾延頓和龜茲王彆無選擇，隻能率城投降。
對於敢於對抗大唐的勢力，必須要給予嚴懲，李愬帶兵入城後，將諾延頓和龜茲王斬首示眾。
對於吐蕃人和龜茲人，李愬和張元甫商議以後，決定區彆對待，將吐蕃人全部抓起來，作為俘虜關押，對龜茲人，則隻殺了十來個親吐蕃的大臣和將領，其餘從輕處理。
李愬和張元甫考慮到，打完龜茲已經是寒冬，他們決定在此過冬，龜茲又是西域較大的國家，可以拉攏過來，所以對龜茲人懲罰的稍微輕一些。
利用在龜茲過冬的機會，李愬和張元甫把部隊休整一下，對龜茲國的勢力進行重整，扶持親唐的國王，主要的官員、將領也全部換成親唐的人員。
至於損壞的城池，自然是吐蕃俘虜和龜茲人去重修，讓他們吃點苦頭，長點記性。利用這個機會，李愬和張元甫也享受了一把“葡萄美酒夜光杯，琵琶欲飲馬上催”快意，讓士兵們放鬆了一下。
兩人還專門去了一趟當地的硫磺礦，要求新任龜茲王要把所產的硫磺全部賣往大唐，不得運到彆的地方，新的龜茲王自然是照辦。
在龜茲過完冬，元和8年2月，李愬和張元甫繼續帶領軍隊又往疏勒、莎車、於田等地進行征討。有了焉耆、龜茲的前車之鑒，剩下幾個小國不敢抵抗，殘存的吐蕃人彙集到於田，翻越昆侖山，逃往象雄一帶。
李愬和張元甫對這幾個小國的親吐蕃勢力進行清洗，全部換上親唐的人員，要求他們必須向大唐稱臣納貢。
唐軍辛苦打一仗，清除了吐蕃勢力，彰顯大唐聲威，自是不在話下，但也不能沒點收獲。
李愬和張元甫肯定也是要帶點東西回去，他們將吐蕃人和各國搜刮的財富，除了留一些給當地，挑了不少金銀珠寶帶回去，順便也帶了一些西域的土特產，往高昌進發。
元和8年6月下旬，李愬和張元甫率軍到達高昌，朝廷派來高昌的使者已在此等候，告訴他們唐軍已經發動對回鶻的戰役，要求他們掃平車師前部、車師後部以後，就全部撤軍回國，張元甫回任沙洲刺史，李愬率平蕃軍駐守肅州。