像拾取草芥那样简单。这种机会如果不去利用，将来一定后悔。”
李靖采纳了侯君集意见，迅速调整部署，将部众分为南、北两路，分别向吐谷浑纵深穿插追击。
其中，北路军由李靖、薛万均、李大亮指挥，追歼吐谷浑北部之敌；南路军由侯君集、李道宗统率，追歼吐谷浑南部纵深之敌。
四月二十三日，北路军在曼头山（青海共和县西南）追上并歼灭吐谷浑一部，缴获大量牲畜，充作将士口粮，解决了后勤补给难题；二十八日，又接连在牛心堆（也叫牛心山，在青海湟中县东南，南川河西）、赤水源（黄河上游在青藏高原上的重要节点，位青海省共和县南曲沟）打败吐谷浑。
赤水源一战中，赤水道行军总管、岷州刺史李道彦延误战机，没有按时到达。薛万均、薛万彻兄弟轻骑突进，被吐谷浑大军包围，一番惨烈搏杀，跟随他们的唐军损失大半，两人也身中枪伤、战马倒毙，但仍奋勇持刃步战不休。
危急关头，左领军将军、原突厥将领契苾何力率数百骑兵赶到，犹如利刃般插入敌阵。薛氏兄弟见状，指挥所部拼死反击。在大唐精锐府兵和突厥骑兵的共同夹击下，吐谷浑大败，被杀得尸横遍野，鲜血染红了赤水源。
北路军将领李大亮、执失思力也分别于蜀浑山（青海共和县西）、居茹川（青海共和县西北柴集河）一带击败吐谷浑，擒获其部落酋长二十余人。
在唐军痛击下，吐谷浑北部主力遭到毁灭性打击，残部向西撤离。李靖尾随在后穷追不舍，一路扫荡至吐谷浑西境且末。
北路军高歌猛进，南路军也不甘势弱。他们在侯君集、李道宗带领下，绕过青海湖向青藏高原腹地挺进，深入无人区两千余里。
当时虽值盛夏，但青藏高原却四处冰封、白雪皑皑。
唐军行至破逻真谷（青海海西都兰县东南），携行水源告罄，又无水可饮，只得人吃冰、马啃雪，克服高原反应，继续向前追击。终于在乌海（青海玛多县东北）追上慕容伏允，在悍不畏死的唐军面前，吐谷浑早已丧失斗志，一经接触就被打得溃散而逃。
唐军继续追击，从星宿川（即星宿海，今青海玛多县境内）追至柏海（青海省玛多县西部黄河上源的鄂陵湖、扎陵湖），这才收军返回。
李靖在且末得到消息，听说慕容伏允逃到了突伦川（塔克拉玛干沙漠南缘），将要奔向于阗（新疆和田市）。契苾何力请求率军追击，薛万均因上次被围险些丧命，坚持认为不妥。
契苾何力说：“吐谷浑同我们一样逐水草而居，没有固定住所，如不趁他聚集时发起进攻，一旦让其散去，就再也找不到他们巢穴了！”
于是亲自挑选千余精锐前行，薛万均率军随后跟进。
沙漠无水可饮，唐军将士刺伤战马饮血止渴。到达突伦川，在大漠边缘发现了慕容伏允营帐，唐军随即发起冲击，当即斩首数千级，缴获各类牲畜二十余万，慕容伏允扔下老婆孩子，仅带少数亲信逃脱，十多天后在逃亡途中被部下所杀。
慕容伏允嫡长子慕容顺，曾作为质子跟随隋炀帝，后被唐高祖李渊送回吐谷浑，一直郁郁不得志。李靖击破吐谷浑，国人穷蹙交迫，怨恨天柱王挑唆慕容伏允。慕容顺因循众人心意，斩杀天柱王，向大唐请降。
五月十八日，李靖向朝廷报捷，荡平吐谷浑！
五月二十一日，太宗颁诏，任命慕容顺为西平郡王、吐谷浑可汗。考虑到他回国不久难以服众，着令李大亮统率数千精兵屯驻，为其声援。
至此，大唐与吐谷浑之战圆满收官！
这是大唐建国以来发动的第二次对外灭国之战，从唐军整体表现看，堪称完美！指挥调度有方，三军将士用命，特别是首次开创了中原王朝军队深入