有能干的名声。后改任左骁卫将军，累加金紫光禄大夫。贞观十六年（642年），唐太宗拜郭孝恪凉州（今甘肃武威）都督，又改任安西都护、西州（今新疆吐鲁番）刺史。郭孝恪在安西治所高昌故城推诚抚御，尽得当地民众欢心。贞观十八年（644年），焉耆王叛唐归附西突厥可汗欲谷设，郭孝恪请击焉耆（今新疆焉耆），即拜西州道行军总管，率三千步骑出银山道，夜袭焉耆，俘虏焉耆王龙突骑支。唐太宗玺书褒奖。贞观二十二年（648年），唐太宗拜阿史那社尔为昆丘道大总管，郭孝恪为昆丘道副大总管，进讨龟兹（今新疆库车），攻破国都，自己留守