显庆二年冬天，苏定方命萧嗣业、回纥酋长婆闰担任先头部队，他本人和任雅相率主力殿后，冒着冬季的严寒继续向西挺进，兵锋直指阿史那贺鲁的王庭。
其时正逢天降大雪，朔风怒吼，地上的积雪足足有两尺之厚，远征军的行进极为困难。于是部将们纷纷向苏定方建议：原地休整，等待天晴再行军。
然而，他们的提议马上遭到了苏定方的否决。他告诉将士们：“阿史那贺鲁一定以为，现在天寒地冻、大雪封山，我军难以前进，所以他肯定会有恃无恐、放松警惕。这正是我军追上他的大好时机，倘若行动迟缓，他们必定远遁，到时候想追就追不上了。所以，建立不世之功，就在此时！”
大唐帝国三次西征阿史那贺鲁，前两次都功败垂成，其主要原因就在于统帅的意志、勇气和决断力不够。较之前两次西征，苏定方这一次遭遇的自然条件其实是最恶劣的，但是他身上却拥有别人没有的东西，那就是——必胜的信念和无坚不摧的意志。
大军继续西行，在茫茫的雪原中昼夜兼程地向西突厥的王庭挺进。
经过异常艰苦的长途跋涉，苏定方率领的北路军终于进抵双河。而南线的阿史那弥射与阿史那步真也同时抵达，两路唐军胜利会师，力量更加强大。
双河距离阿史那贺鲁的王庭仅有两百里。此时，阿史那贺鲁仍然毫无防备，正优哉游哉地在金牙山附近打猎。
不出苏定方所料，阿史那贺鲁认定唐军不可能在这风雪交加的恶劣天气中长途奔袭，所以他依旧信心满满地认为——自己绝对有机会东山再起。
可阿史那贺鲁已经没有机会了。
当唐军恍如从天而降的雄鹰一样突然出现在他面前时，阿史那贺鲁才如梦初醒。
然而一切为时已晚。
仓促集合起来的部队根本抵挡不住唐军的强大攻势，转眼间阿史那贺鲁的王庭就被攻破了，数万颗突厥人的首级被唐军将士斩落马下，而象征着可汗权威的大鼓和巨纛也被唐军缴获，万般无奈的阿史那贺鲁只好带着儿子咥运、女婿阎啜等少数几人突围而去，逃奔石国（今乌兹别克斯坦塔什干市）。
阿史那贺鲁的战败和流亡，意味着大唐帝国的第三次远征取得了全面胜利。
苏定方知道，阿史那贺鲁已成丧家之犬，终究逃不出自己的手掌心，所以并没有忙着追击，而是着手安抚西突厥的各个部落，处理战争遗留下的一系列政治、经济和社会问题。
苏定方深知，与平息叛乱同等重要的就是安定人心。只有在战乱过后迅速恢复西突厥的和平与稳定，大唐帝国的军队才真正称得上吊民伐罪的王者之师。
史称阿史那贺鲁败逃之后，“定方于是息兵，诸部各归所居，通道路，置邮驿，掩骸骨，问疾苦，画疆场，复生业，凡为沙钵罗（阿史那贺鲁）所掠者，悉括还之，十姓安堵如故”（《资治通鉴》卷二百）。
苏定方用了很短的时间，就全面恢复了西突厥汗国的社会秩序，从而获得了西突厥各个部落及其民众的拥戴和支持。
做完这一切后，苏定方把追缉阿史那贺鲁的任务交给了副手萧嗣业，然后光荣凯旋。
阿史那贺鲁一口气逃到石国西北部的苏咄城外，人困马乏、饥渴难耐，但他不敢进城，只命手下人拿着珠宝去城里换购马匹和食物。
苏咄城主得知阿史那贺鲁到来的消息，随即命人准备了丰盛的美酒佳肴，然后毕恭毕敬地出城迎接。
走投无路的阿史那贺鲁看见苏咄城主如此盛情，不禁大为庆幸，马上消除了戒备，随同苏咄城主一起入城。
可阿史那贺鲁断然没有想到，就在他跨入苏咄城的一瞬间，背后的城门便訇然关上，紧接着从四周冲出了一大群全副武装的士兵，把他们一行人团团围住。
而刚才还一脸热情的苏咄城主，此刻正远远地站着，用一种得意而轻蔑的笑容注视着他。
那一刻，阿史那贺鲁彻底绝望。
从永徽二年（公元651年）到显庆二年（公元657年），这六年的可汗生涯对此刻的阿史那贺鲁而言，就像是南柯一梦。
这场梦有多么辉煌，他此刻的痛苦就有多么强烈。
这六年中拥有的权力有多大，他此刻感到的沮丧就有多深。阿史那贺鲁最后重重地把头垂了下去。同时垂下的，还有他手中的剑。他曾经用这把剑掌控了整个西突厥汗国的命运，可现在，他却连一己的命运都掌控不了。苏咄城主擒获阿史那贺鲁后，立刻把他交给了石国国君，石国国君随后又把他交给了唐军将领萧嗣业。
显庆三年（公元658年），阿史那贺鲁被押送到京师长安，高宗李治特意举行了一场献俘仪式。苏定方一身戎装，亲自押解阿史那贺鲁入宫献俘。随后，苏定方因平定西突厥之功，被擢升为左骁卫大将军，封邢国公。战后，大唐帝国在西突厥的土地上设置了昆陵都护府和濛池都护府：以阿史那弥射为昆陵都护，封为兴昔亡可汗，统领西突厥的左厢五部（五咄陆）；以阿史那步真为濛池都护，封为继往绝可汗，统领西突厥的右厢五部（五弩失毕）。
两个都护府均归属安西都护府管辖。此外，对于西突厥的各个部落首领，唐朝廷也依据其部落大小和位望高下，分别授予刺史以下的官职。曾经强盛一时的西突厥汗国宣告瓦解。
