但局势仍十分险峻，西域的三姓咽面部落也加入到反叛的行列，与阿史那车薄联手，抗衡王方翼。王方翼率安西都护府驻军以及西域诸国胡人军团发动进攻，在热海与阿史那车薄以及三姓咽面部落联军进行决战。
热海之战极为艰苦，第一次交战双方势均力敌，打得难解难分，战况非常惨烈，在战斗中，王方翼被对方的流矢所伤，利箭刺穿其手臂，伤势非常严重。在战斗的紧急关头，一旦主将受伤撤下，对军队的士气将是致命的打击。王方翼忍住剧痛，拔出佩刀，砍断箭杆，鲜血直渗出战袍，但王方翼不为所动，脸上绝不露出半点痛苦的表情，坚持指挥作战，稳定军心。
这一仗下来，双方均损失不小。回到营帐后，大家方才发现主将的手臂已经受重伤，赶紧让军医前来疗伤。
王方翼受伤的消息传出后，其帐下的部分西域胡人军团的首领，认为主将受伤必将影响士气，而且此时唐帝国的羁縻区出现大规模的叛变，他们认为此时有机可乘，不如趁着王方翼受伤，将其生擒后交予阿史那车薄。
但这些胡人企图叛变的阴谋被王方翼察知，王方翼不露声色，召集胡人首领开军事会议。在会议上，王方翼拿出军费赏赐给这些首领，领赏处设在军帐外，让胡人首领一个接一个到帐外领赏，结果这些企图反叛的将领，出去一个，便被砍一个。正好此时风声大起，王方翼又让士兵们敲锣打鼓，像是为领赏者喝彩，来掩饰这些糊里糊涂便被斩首的叛军首领的惨叫声，前后斩杀了七十余位参与叛变的胡人将领。
看来王方翼从裴行俭身上学到了“制敌尚诈”的本领。
在清洗内部叛乱力量之后，王方翼再次对阿史那车薄与三姓咽面部落发起进攻。阿史那车薄本来接到叛军的情报，称不日可擒获王方翼，所以放松了警惕，谁料得不仅没擒到王方翼，反倒是叛乱分子被一网打尽。王方翼抓住机会，打阿史那车薄一个措手不及，并且分兵袭击三姓咽面部落，大破西突厥联军，俘虏突骑施酋长以及其他大大小小首领共计三百余人。至此，西突厥的叛变被王方翼所平定。当阿史那车薄起事时，唐朝廷根本没有料到王方翼可以凭借微薄的兵力平定叛乱，所以当时已经考虑由裴行俭担任金牙道行军大总管，辖十位将军出征。然而就在出发前，裴行俭却突然病逝。朝廷又委派阎怀旦领军西征，阎怀旦还没有出发，就已经接到了王方翼大获全胜的消息了。
热海之役，使王方翼成为高宗时代名将之一，这颇得益于裴行俭的举荐之功。这两位大唐名将，交相辉映，在西域的英雄业绩永载史册。在汉代，西域是英雄的乐土，产生过张骞、郑吉、陈汤、班超等英雄人物，而在大唐时代，裴行俭、王方翼续写传奇，为西域重入中国疆土做出伟大的贡献。
