阿史那弥射和阿史那步真的南道军马及时跟进，与苏定方会师，人欢马叫，气势如虹。十姓部落首领见阿史那贺鲁大势已去，纷纷率众归降，口称阿史那弥射和阿史那步真为“旧主”。
在唐军锲而不舍、穷追猛打之下，阿史那贺鲁和儿子咥运逃窜至石国（今塔什干），被石国国王绳捆索绑送往唐营，献于唐将萧嗣业。阿史那贺鲁被押解回长安“献于昭陵，告于太社”，西突厥汗国灭亡。原先臣服于西突厥的中亚诸国纷至沓来诚心归属，唐朝夺回了西域的掌控权。
为有效管理众多归附的部落和民族，唐王朝效仿汉朝西域都护府的建制，在全境设置了九大都护府，职责是“抚慰诸藩，辑宁外寇”。
唐朝在西域设置了两大都护府：安西都护府和北庭都护府。
安西都护府管辖天山南麓、直至葱岭以西、阿姆河流域广阔地区；北庭都护府管辖天山北麓包括阿尔泰山和巴尔喀什湖以西的广大地区。此时，唐朝疆域空前广大，赶往长安朝拜的使者络绎不绝。
因唐朝开拓进取，国力强盛，文人墨客都有投笔从戎，建立功勋的强烈愿望，杨炯大呼“宁为百夫长，胜作一书生”。李白豪迈地说“愿将腰下剑，直为斩楼兰”。就连杜甫也赋诗“男儿生世间，及壮当封侯”。岑参说“功名只向马上取，真是丈夫一英雄”。
唐朝的边塞诗洋溢着壮美阳刚之气，体现了大唐盛世奋发有为、慷慨激昂的民族精神。此后，汉民族再无这种锐意进取、蓬勃向上的精神，成为绝唱。
唐王朝勃兴崛起的同时，青藏高原上的吐蕃国和大食国（阿拉伯）也兴盛起来，与唐王朝在西域展开激烈的争夺战。唐与吐蕃、突骑施、大食之间，屡次发生错综复杂的军事冲突。伊斯兰教伴随着大食的入侵，传入中亚和西域。这一时期，各种宗教文化在西域碰撞融合，对后世影响深远。
公元755年，“安史之乱”爆发，唐王朝的军队节节败退，朝廷调动驻守河西、陇右、安西都护府和北庭都护府的精锐之师回内地平叛，西域的军事、政治力量陷入虚空。历时7年之久的叛乱虽被平息，但唐朝元气大伤，由盛而衰，宋人司马光在《资治通鉴》一书中感叹：“由是祸乱继起，兵革不息，民坠涂炭，无所控诉，凡二百余年。”
吐蕃趁机攻占了陇右、河西地区，切断了西域与唐朝来往的通道。唐王朝甚至都不知道安西都护府是存是亡，安西都护府孤悬塞外，驻守将士恪尽职守，坚持了35年之后，安西四镇被吐蕃攻陷。唐朝彻底结束了对西域长达一个半世纪的控制和经营。吐蕃占领了整个西域，阻挡了阿拉伯帝国向东扩张的势力。随着葛逻禄、回鹘部落的崛起，吐蕃被迫撤出西域。
