接着是焉耆王国，东西横亘四百公里，首都焉者城(新疆焉耆)，跟中国邦交一向敦睦。侯君集灭高昌王国时，焉耆国王龙突骑支因跟高昌是世仇之故，还亲自到中国远征军司令部道贺。可是后来却和西突厥汗国缔结婚姻(西突厥大臣的弟弟，娶了龙突骑支的女儿)，对遥远的中国转为冷淡，并一再扣留过境的中国使节和往返中国的其他国家的使节。64四年，驻军高昌的安西总督(安西都护)郭孝恪进攻焉耆，生擒龙突骑支，另立一位新王。但中国远征军撤退后，西突厥汗国来攻，把新王杀掉，另立王族亲戚龙薛婆阿那支当国王。四年后(64八)，中国突厥籍大将阿史那(姓)社尔(名)西征龟兹王国时，顺便攻击焉耆，把龙薛婆阿那支杀掉。这一次中国兵团不再撤退。
龟兹王国，面积约十万平方公里，拥有七百余个城镇，首都伊逻卢城(新疆库车)。最初跟中国相处也很好。但西突厥汗国终于把它争取过去，参加对中国的围堵。64八年，中国大将阿史那社尔西征，生擒国王白河黎布失毕。中国原设在西州(新疆吐鲁番)的安西总督府，遂向西推进，移到龟兹。
疏勒王国(新疆喀什)、于阗王国(新疆和田)，两个与龟兹王国面积相当的国家，没有经过战争，就向中国投降。中国遂在焉耆、龟兹、疏勒、于阗，设立四个军事据点，称为“四镇”，隶属安西总督，作为中国西陲屏藩。六七○年，吐蕾王国以倾国兵力对西域攻击，四镇一时陷落。二十二年后的六九二年，中国大将王孝杰反攻，吐蕃败走，四镇又回到中国版图。
对西域(新疆及中亚东部)诸国来说，中国和西突厥汗国，是两个巨人。西域诸国处在中国和西突厥汗国夹缝中，跟前二世纪时处在中国和匈奴汗国夹缝中一样，十分狼狈。上述五个王国，就是两大超级强权间的牺牲品。等到所有独立王国都被中国并吞，中国边境向北向西推进，直接跟西突厥汗国接触时，终于爆发一场决战。六五七年，中国大将苏定方率领远征军，包括回纥兵团和若干归附中国的东突厥兵团，向西突厥汗国总攻，三道并进。西突厥沙钵略可汗亲统十姓(十个部落、兵团，自中亚向东挺进迎击。两国大军在伊丽水(新疆伊犁河)以北相遇，沙钵略可汗大败，率领残军渡伊丽水，向碎叶水(哈萨克吹河，或译楚河)撤退，中国远征军穷追，在碎叶水北岸再次决战，沙钵略可汗再大败。带着左右少数侍卫，向西逃亡。逃到咸海东南的石国(乌孜别克塔什干市)，被石国生擒，交给抵达城下的中国远征军。
跟东突厥汗国的情形一样，西突厥汗国的部落从此星散。以后虽然同样也有“可汗”兴起，总归昙花一现。到七四二年，最后一任中国派遣担任大可汗的阿史那听，被突骑施部落击斩，西突厥汗国途名实同亡。
中国在西域获得的是完整的胜利，跟张骞、班超时代有很大不同，那时不过限于移植屯垦，主要的是断匈奴右臂的军事联盟。而从公元七世纪起，却设州设县，又设军区，把西域纳入中国行政系统，正式成为中国领土。
