贞观二年（628年），梁师都还占据朔方，刘兰进言攻取方略。唐太宗赞同，命他为夏州都督府司马。当时，梁师都因突厥军至城下，刘兰偃旗卧鼓，不与其争锋，梁师都乘夜逃遁，刘兰追击攻破，遂进军夏州。梁师都平，突厥郁射设阿史那摸末率其部落入居河南。刘兰离间其部落，颉利可汗怀疑摸末，摸末害怕，颉利可汗遣兵追击，刘兰率众迎击，击败突厥。唐太宗以他有能力，以功改任丰州刺史，封平原郡公，征为右领军将军。贞观十一年（637年），唐太宗至洛阳，以蜀王李愔为夏州都督。李愔不到夏州就籓，以刘兰为长史，总领夏州都督府事。贞观十三年（63