向挺進。蘇定方率領主力沿著金山（今新疆阿爾泰山）山脈，直逼駐紮在北麓的處木昆部落。這個部落在去年的咽城大戰中曾遭唐軍重創，此時元氣遠未恢複，唐軍一發起進攻，處木昆基本上沒有還手之力，其部落酋長懶獨祿不得不率麾下一萬餘帳向唐軍投降。蘇定方儘力安撫，隨即挑選了處木昆的一千多名精銳騎兵，編入唐軍作為前鋒。
緊接著，唐軍繼續西進，目標是突騎施部落。
這個部落和處木昆一樣，也是在去年遭到了唐軍的重創，此時他們眼見處木昆已經投降，情知自己無力抵抗，慌忙向阿史那賀魯求援。
阿史那賀魯意識到，如果不擋住唐軍的攻勢，西突厥的十姓部落勢必會被唐軍各個擊破。他旋即發出命令，集結了十姓部落（包括處木昆的殘部）的十萬大軍，準備在曳咥河（今中亞額爾齊斯河）西岸列陣，憑借天塹阻擊唐軍。
蘇定方察覺了阿史那賀魯的戰略意圖，於是親率唐軍精銳及回紇騎兵共計一萬多人，迅速搶渡曳咥河，在西岸擺開了陣勢。
阿史那賀魯的意圖徹底落空，不禁大為惱怒。可當他率領十萬大軍逼近曳咥河時，心中的惱怒就全部轉化成了竊喜。
因為唐軍的兵力不但隻有突厥軍的十分之一，而且還背靠大河，想逃跑都沒有退路。
阿史那賀魯頓時信心倍增，他相信這一仗一定可以全殲唐軍主力。
麵對十倍於己的敵軍，蘇定方鎮定自若，毫無懼色。他命令步兵在南部平原上密集排列，長矛的槍尖全部向外，自己則親率精銳騎兵在步兵陣後方的北部平原上列陣。
西突厥軍隊依仗人數上的絕對優勢，對唐軍的步兵陣連續發起了三次衝鋒，可是在如林的長槍麵前，突厥人付出了極大的傷亡，卻始終無法撕開唐軍的防線。
此時，蘇定方正策馬立於北部的高坡上靜觀戰場的變化。他知道，突厥軍隊雖然人數眾多，但卻是由十個部落構成，其中的左廂五部還一度背叛過阿史那賀魯，右廂五部中的泥孰部落也向來與阿史那賀魯不睦。所以，突厥人表麵強大，實則內部矛盾重重。
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這就是突厥軍隊的致命弱點。
當突厥軍隊的第三波攻擊又被唐軍擊退後，蘇定方知道其戰鬥力已經衰竭，立刻下令全體騎兵跟隨他一起衝鋒。
隨著蘇定方一聲令下，唐軍騎兵隨即像兩把尖銳的鋼刀，從步兵陣的兩翼伸出，然後直直插入敵陣之中。
決戰時刻，西突厥十個部落貌合神離的弱點暴露無遺。在唐軍的猛烈進攻下，突厥人各自為戰，互不相援，人多的優勢絲毫發揮不出來。而且隻要一個部落的陣腳被打亂，其他部落馬上爭相潰退。到最後，儘管阿史那賀魯的帥旗拚命揮舞，也仍然阻止不了十萬大軍的全線潰敗。
唐軍隨即轉入全麵反攻，蘇定方親率騎兵深入追擊了三十裡，斬殺及俘虜的敵軍達數萬之眾。
此戰，唐軍大獲全勝。蘇定方臨危不懼，指揮若定，又一次創造了以寡擊眾的經典戰例，從此威震西域，在一代名將的道路上邁出了堅實的一步。
在曳咥河會戰的前夕，朝中的右領軍中郎將薛仁貴曾向高宗獻上了一條離間突厥人的計策，他說：“泥孰部落的酋長向來不服從阿史那賀魯，後來被阿史那賀魯擊敗，妻子兒女均被擄為人質。今後，西征軍一旦擊破阿史那賀魯的部眾，隻要擒獲泥孰的妻子兒女，應當將其全部送還，並給予賞賜。如此一來，泥孰必定會背叛阿史那賀魯，並且誓死效忠大唐。”
高宗采納了薛仁貴的計策，隨即向蘇定方發出了一道密詔。
而在此次會戰所俘虜的西突厥人中，果然有泥孰酋長的妻子兒女，蘇定方當天就派人秘密將其送還。泥孰酋長頓時感激涕零，當即表示願意歸降唐朝。
曳咥河會戰的次日，蘇定方繼續勒兵追擊，阿史那賀魯自恃兵力仍然占優，於是回頭再戰。可他絕沒有想到，這一天他將敗得更慘，並且將成為他短暫的可汗生涯中由盛而衰的一大轉捩點。
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