南北两路大军会师焉耆，西突厥扶持的焉耆王薛婆阿那支弃城逃奔龟兹，半路上被唐军追上俘获处决 。阿史那社尔立原国王龙突骑支的一个弟弟婆伽利为新国王 。平定焉耆之后，唐军向西继续进发 。
龟兹国内已听闻唐军兵锋凌厉，不少守将弃城而逃，阿史那社尔进驻距离龟兹都城三百里的碛口，派遣伊州刺史韩威率一千多骑兵为先锋，骁卫将军曹继叔紧随其后，直取龟兹王诃黎布失毕与丞相那利、将军羯猎颠率五万士兵据守的多褐城 。
见对方人马众多，韩威率军短兵相接，佯装不敌后撤 。龟兹王以为唐军害怕了，下令倾巢出兵追击 。追了三十里左右，曹继叔的后援部队刚好赶上，直扑敌军，龟兹追兵猝不及防，一下子被冲得人仰马翻，大败而回 。龟兹王初战失败，退守都城 。见唐军主力部队浩浩荡荡兵临城下，仓皇之下率领轻骑向西逃跑 。
统帅阿史那社尔安排郭孝恪留守龟兹都城，自己率领苏海政、薛万备率精锐骑兵追击至拨换城 。龟兹王负隅顽抗，下令死守 。唐军这一战打得极为艰难，用了四十天才攻下城池，俘虏了龟兹王和大将羯猎颠 。只身逃脱的丞相那利怀恨在心，找到附近的西突厥部队一番哭诉，说动了突厥人，纠集了一支突厥人和龟兹人组成的军队杀向都城 。
留守龟兹都城的郭孝恪犯下了最为致命的一个错误，没有进驻城内，而是将大营扎在城外 。此时，那利率领突厥人报复而来的消息已经传了过来，有亲唐的龟兹人将这个消息报告给了郭孝恪，但郭孝恪没有太当回事 。
大意失荆州，一错千古恨!没多久，那利果真率军突然出现，杀入城中 。郭孝恪见状，紧急命令驻扎在城外的一千多将士赶快进城与敌军激战 。然而，形势对唐军非常不利，城内已经投降的龟兹士兵反戈一击，与那利里应外合，占据了城头，居高临下，共同夹击郭孝恪 。顿时，箭如雨下，唐军死伤惨重 。郭孝恪掉头想冲出城外，与儿子郭待诏一起被射死在西门 。
急转而下的形势对唐军非常不利 。这时，负责后勤保管的军需官崔义超挺身而出，在城中临时招募了二百多人，与那利带领的人马展开激战 。驻扎在城外的韩威、曹继叔率军从城西北角攻入城中 。经过一夜激战，那利队伍渐渐不支，损失了三千士兵，只得撤退 。十多天后，那利又从山北引来一万多人马进攻都城，被已有防备的曹继叔斩杀八千多人 。
那利见大势已去，只身单骑逃走，被龟兹老百姓抓获，押送给了唐军 。听到郭孝恪父子在龟兹战役中殉职的消息，已届人生暮年的李世民心情悲伤，一开始还责怪久经沙场的郭孝恪如此麻痹大意，以致遭此大难 。稍后，又怜惜父子双双殒命，下令隆重祭奠，表彰郭孝恪的英雄事迹 。

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