默啜怪罪，于是带着妻子投奔唐朝。郭虔瓘以功被唐玄宗授为冠军大将军，行右骁卫大将军，进封太原郡开国公。开元四年（716），陕王李嗣升为安西大都护，郭虔瓘奉诏转任安西副大都护，进封潞国公，但因领兵征讨西域，却无功而返，张孝嵩代替郭虔瓘为安西副都护。后来，历任凉州刺史、河西节度大使、右威卫大将军。开元四年，上奏家奴八人有战功，求为游击将军，结果被宰相劾其恃功乱纪。开元十四年九月二日卒于京城大宁坊私第，享年八十三岁。