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，位于天山以南的一個盆地裡，也屬于沙漠綠洲小國，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，屬于牆頭草，順勢投降唐軍。
李愬認為，高昌國内也有一些漢人，麴氏政權對中原王朝還算和善，沒必要廢除，于是委任高昌王麴達利為西州刺史，要求其效忠于唐朝，并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）境内。焉耆國民風彪悍，喜歡搶掠，看到唐軍後并未臣服，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、火箭彈對着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沖進去，遇到敢于抵抗的焉耆軍隊就射殺，一直沖到焉耆王宮，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，将焉耆國王和其他幾十個主張抵抗唐軍的大臣和将領全部斬首。
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。
龜茲屬于安西一個較大的藩國，其國主與吐蕃公主聯姻，忠于吐蕃。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，決定在龜茲拼死一戰，打退唐軍。
吐蕃軍和龜茲軍共拼湊了約四萬軍隊，由吐蕃将領諾延頓率領，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，對于敢于對抗大唐的龜茲國，也要猛揍一頓。