定方抵达曳咥河西岸，沙钵罗率领十姓部落近十万兵力前来抵御。苏定方率领唐军及回纥兵一万多人迎战。沙钵罗轻视苏定方兵少，直接进兵包围。苏定方命步兵占据南原，长矛对外密集排列，自己率领骑兵列阵于北原。沙钵罗先攻步兵，三次冲锋都没攻破，苏定方率领骑兵出击，沙钵罗大败，苏定方追击三十里，斩杀俘获数万人；次日，整军继续前进。
于是胡禄屋等五弩失毕部落全部归降，沙钵罗仅与处木昆屈律啜等数百骑兵向西逃走。当时阿史那步真从南道进军，五咄陆部落听说沙钵罗战败，都向步真归降。苏定方于是命萧嗣业、回纥婆闰率领胡兵赶赴邪罗斯川追击沙钵罗，自己与任雅相率领新归附的部众随后跟进。
恰逢大雪，平地积雪二尺，军中都请求等天晴再前进，苏定方说：“敌人依仗雪深，认为我们无法前进，必然会休整兵马。赶紧追击就能赶上，若拖延，他们会逃得更远，无法再追，省时省力、事半功倍的机会就在现在！”于是踏雪昼夜兼程，沿途收编部落部众，抵达双河时，与阿史那弥射、步真的军队会合，距离沙钵罗的牙帐仅二百里，大军列阵长驱直入，直达牙帐。
沙钵罗正与部下打猎，苏定方乘其不备发动攻击，斩杀俘获数万人，缴获他的旗帜鼓纛，沙钵罗与儿子咥运、女婿阎啜等逃脱，逃往石国。苏定方于是停战，让各部落返回原居地，疏通道路，设置邮驿，掩埋骸骨，慰问疾苦，划分疆界，恢复生产，凡是被沙钵罗掠夺的财物，全部追回归还，十姓部落恢复安定。随后命萧嗣业领兵追击沙钵罗，苏定方率军返回。
沙钵罗逃到石国西北的苏咄城，人马饥饿疲惫，派人携带珍宝进城买马。城主伊沮达官假意用酒食出迎，引诱他入城后关闭城门将其擒获，送给石国。萧嗣业抵达石国后，石国人将沙钵罗交给他。
乙丑日，朝廷拆分西突厥领地，设置蒙池、昆陵两个都护府：任命阿史那弥射为左卫大将军、昆陵都护、兴昔亡可汗，统辖五咄陆部落；任命阿史那步真为右卫大将军、蒙池都护、继往绝可汗，统辖五弩失毕部落。派光禄卿卢承庆持符节册命，同时命弥射、步真与卢承庆根据各部落归降者的部落大小、地位高低，授予刺史以下官职。
丁卯日，朝廷将洛阳宫定为东都，洛州官吏的品级与雍州相同。
这一年，高宗下诏：“从今往后，僧尼不得接受父母及长辈的礼拜，有关部门要明确法规加以禁止。”
任命吏部侍郎刘祥道为黄门侍郎，仍掌管吏部选官事务。刘祥道认为：“现在选官部门取士太滥，每年进入仕途的人数超过一千四百，杂色出身入仕的，竟不经过选拔。当前内外文武官员从一品到九品，共一万三千四百六十五人，按三十年计算，这一万三千多人差不多会被替换完。如果每年入仕五百人，足够补充所需人数。希望加以改革。”不久杜正伦也说入仕人数太多。皇帝命正伦与祥道详细商议，但大臣们害怕改革，此事就搁置了。刘祥道是刘林甫的儿子。
显庆三年，公元658年春季正月戊子日，长孙无忌等人呈上所修订的新礼，皇帝下诏朝野通行。此前，议论者认为贞观时期的礼仪条文不完备，所以命无忌等人修订。当时许敬宗、李义府当权，增减的内容多迎合旨意，学者都批评他们。太常博士萧楚材等人认为预备凶事（帝王丧葬礼仪）不是臣子该说的，许敬宗、李义府深表赞同，于是焚毁《国恤》一篇，从此凶礼就缺失了。
起初，龟兹王布失毕的妻子阿史那氏与宰相那利私通，布失毕无法禁止，因此君臣互相猜忌，各有党羽，互相前来朝廷告急。皇帝两次召见他们，到长安后，囚禁了那利，派左领军郎将雷文成送布失毕回国。
抵达龟兹东境的泥师城时，龟兹大将羯猎颠发兵抗拒，并派使者向西突厥沙钵罗可汗投降。布失毕据城坚守，不敢前进。皇帝下诏命左屯卫大将军杨胄发兵讨伐。恰逢布失毕病逝，杨胄与羯猎颠交战，大破敌军，擒获羯猎颠及其党羽，全部诛杀，于是将龟兹之地设为龟兹都督府。戊申日，册立布失毕的儿子素稽为龟兹王兼都督。
二月丁巳日，皇帝从东都出发；甲戌日，抵达长安。
夏季五月癸未日，朝廷将安西都护府迁到龟兹，将旧安西改为西州都督府，镇守高昌旧地。
六月，营州都督兼东夷都护程名振、右领军中郎将薛仁贵领兵进攻高丽的赤烽镇，攻克该镇，斩首四百多级，俘虏一百多人。高丽派大将豆方娄率领三万兵力抵御，程名振用契丹兵迎击，大破敌军，斩首二千五百级。
秋季八月甲寅日，播罗哀獠酋长多胡桑等率领部众归附唐朝。
冬季十月庚申日，吐蕃赞普前来请求通婚。
中书令李义府受皇帝宠信，连怀抱中的儿子都位列清贵官职。但李义府贪婪无度，母亲、妻子及儿子、女婿都卖官鬻狱，门庭若市，大量结党，权势震动朝野。中书令杜正伦常以资历老自居，李义府依仗恩宠，不肯居于其下，因此产生矛盾，二人在皇帝面前争执。皇帝因大臣不和，同时责备了他们。十一月乙酉日，杜