。苻重逃往薊城，被呂光追殺，幽州之亂平息。呂光因功被拜為驍騎將軍。
太元七年(382年)九月，車師前部王彌寞、鄯善王休密馱到前秦都長安，朝見符堅，說：“大宛諸國雖通貢獻，然誠節未純，請乞依漢置都護故事。若王師出關，請為鄉導”(《晉書·符堅載記》)。苻堅遂任命驍騎將軍呂光為使持節、都督西域征討諸軍事，與淩江將軍薑飛、輕車將軍彭晃、將軍杜進和康盛等人率10萬(一說7萬)大軍討伐西域。並以以隴西董方、馮翊郭抱、武威賈虔、弘農楊穎為四府佐將。
陽平公苻融認為：“西域荒遠，得其民不可使，得其地不可食，漢武征之，得不補失。今勞師萬裡之外，以踵漢氏之過舉，臣竊惜之”(《資治通鑒·卷第一百四》)。符堅說：“二漢力不能製匈奴，猶出師西域。今匈奴既平，易若摧朽，雖勞師遠役，可傳檄而定，化被昆山，垂芳千載，不亦美哉”(《晉書·符堅載記》)！後來，大臣雖多次勸阻，但苻堅決心已定。
太元八年(383年)正月，呂光自長安出發，苻堅在建章宮為其送行，對呂光說：“西戎荒俗，非禮義之邦。羈縻之道，服而赦之，示以中國之威，導以王化之法，勿極武窮兵，過深殘掠”(《晉書·符堅載記》)。還拉著呂光的手，鼓勵他說：“君器相非常，必有大福，宜深保愛”(《晉書·呂光載記》)。
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呂光率軍行至高昌(今新疆吐魯番市東南)，聞符堅攻晉，便想停軍候命。部將杜進說：“節下受任金方，赴機宜速，有何不了，而更留乎”(《晉書·呂光載記》)！呂光遂揮軍前行。呂光率軍在茫茫戈壁和沙漠中行進300多裡，皆無水，將士失色。呂光鼓勵將士說：“吾聞李廣利精誠玄感，飛泉湧出，吾等豈獨無感致乎！皇天必將有濟，諸君不足憂也”(《晉書·呂光載記》)。不久，天降大雨，深達三尺。呂光遂進軍至焉耆，國王泥流率其旁國投降，唯龜茲(今新疆庫車)王帛純據城抗禦。
呂光命部眾在龜茲城南集中，每5裡設一營，挖戰壕、築高壘。廣設疑兵，以木為人，披上盔甲，排列在高壘上。呂光指揮軍隊攻城，至太元九年(384年)七月，龜茲王漸漸不支，向獪胡(另一少數民族)請求援兵。獪胡王派其弟呐龍、侯將馗率騎兵20餘萬，另集中溫宿和尉頭等國軍隊共70多萬人救援龜茲。西域各國部眾弓馬便利，善於使矛，鎧甲堅硬，箭射難入，戰鬥力很強。並以革索做成繩套，策馬擲人，多有中者。呂光軍甚懼。諸將欲每營擺陣，呂光認為：“彼眾我寡，營又相遠，勢分力散，非良策也”(《晉書·呂光載記》)。遂令各營聚於一地，又操練勾鎖之法，另派精騎作為遊軍，隨時補充各個缺口。雙方在龜茲都城屈茨(庫車東)西展開決戰，呂光軍大勝，斬殺萬餘。帛純急忙收拾珍寶出城逃走，王侯降者計30餘國。
呂光率軍入城，犒賞將士，賦詩言誌。發現建築布局模仿長安，宮室壯麗。命參軍京兆段業著《龜茲宮賦》以譏之。西域人生活奢侈，喜歡養生，家中都有葡萄酒，存放有十幾年，多者達到千斛。西域各國害怕呂光的威名，競相貢奉歸附。呂光為安撫龜茲，乃立帛純弟帛為龜茲王。呂光“撫寧西域，威恩甚著，桀黠胡王昔所未賓者，不遠萬裡皆來歸附，上漢所賜節傳，光皆表而易之”(《晉書·呂光載記》)。呂光遠征西域取得軍事勝利的同時，也為爾後建立後涼政權奠定了基礎。
符堅聞呂光平定西域，以呂光為使持節、散騎常侍、都督玉門已西諸軍事，安西將軍、西域校尉，因關中亂，道路斷絕，所以未通。
早在太元二年(377年)，太史上奏說：“有星見外國分野，當有大智入輔中國。”苻堅久仰龜茲青年沙門鳩摩羅什(343—413)的大名，便說：“朕聞西域有鳩摩羅什，將非此邪”(《晉書·鳩摩羅什傳》)？太元四年(379年)時，中土僧人僧純、曇充等遊學龜茲歸來，稱述龜茲佛教盛況，又說到鳩摩羅什才智過人，明大乘學。時高僧釋道安在長安，極力獎勵譯經事業，聽到羅什在西域有這樣高的聲譽，就一再勸苻堅迎他來華。
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