二年（657年）闰正月二十一日，唐高宗又发大兵，分南北两路讨伐西突厥，这次北路的主帅就是苏定方，南路则由右卫大将军阿史那弥射和左屯卫大将军阿史那步真统领。苏定方在作战的同时还招降了许多西突厥部落，使他们为唐军作战。沙钵罗以10万突厥兵在曳咥河（今新疆额尔齐斯河）包围了苏定方一万余人的部队，苏定方在挫败对方三次冲锋之后率骑兵反击成功，大败突厥部队，斩获数万人。一些突厥部落归降，沙钵罗则向西逃走。苏定方部队克服恶劣天气，追击200余里，在金牙山（今中亚塔什干）大败沙钵罗，斩俘数万人。之后，苏定方恢复原西突厥领地