呂宋王出逃以后，奎松城人心渙散，剩下的軍隊很快就投降了，王之孝沒想到還是讓呂宋王給逃脫了，懊惱不已，留下一個駱甌團在奎松城建立臨時政府，又給部隊補充了一下給養，然后率領部隊向北追去。
王之孝率軍向北連續追了五天，越過呂宋中部平原，終于在呂宋島北端的達古潘追上了呂宋殘軍。
為了能夠全殲呂宋殘軍，王之孝這次將城市徹底包圍以后再發起進攻，終于攻下達古潘，擒獲呂宋王。王之孝在達古潘留下最后一個駱甌團，將呂宋王和少數將領羈押在這里，釋放了其他士兵，在這里建立了一個臨時政府。
按照計劃，鎮南軍還要征服呂宋以南的島嶼，王之孝就率部登船，繼續往南航行。到了更南端的一些島嶼后，王之孝發現這里都是一些原始部落，非常貧窮落后，根本無從下手征討，就算征討下來也難以治理。
王之孝考慮一番后，決定直接去瓊州，向范希朝稟明情況，讓他根據實際情況來決策。
在南方激戰的同時，李愬于元和十七年2月15日，在西北發動了攻勢。李愬率領鎮西軍和8個契胡族群的襄人團，從阿拉山口出發，向葛邏祿進軍。
當年葛邏祿突然叛變，聯合大食軍偷襲唐軍，導致高仙芝所率領的唐軍慘敗，上萬唐軍殞命于怛羅斯，唐軍上下對此極為憤怒，誓報此仇。
鎮西軍和8個契胡團全部都是騎兵，李愬決定對葛邏祿來一場大規模的絞殺戰。部隊出了阿拉山口以后向西南方向進軍，鎮西軍在前，8個襄人團在后，整個部隊呈扇形展開，搜索前進。
李愬對于路上遇到的普通牧民一概不問，專挑大股的葛邏祿騎兵打，一路上把葛邏祿的軍隊打的抱頭鼠竄。李愬在沿途抓了一些俘虜，經過審問后得知，葛邏祿牙帳位于伊犁河北岸一帶，當即率領大軍向伊犁河方向進軍。
部隊經過多日行軍，終于到達伊犁河附近，雖然唐軍進展迅速，但是葛邏祿可汗迦必略還是聽到一些風聲，已經率部南逃。
葛邏祿雖然提前逃跑，但是由于帶領大量部眾，前進速度不快，唐軍畢竟是輕裝前進，很快就在伊犁河北岸追上葛邏祿的部眾。
葛邏祿部眾受阻于伊犁河，由于人馬眾多，無法快速過河，只能朝伊犁河下游移動，企圖到水淺的地方渡河。唐軍發現葛邏祿的人馬后，立即展開大規模的進攻。葛邏祿的騎兵為了保護自己的部眾逃離，被迫掉頭迎戰唐軍。
唐軍看到葛邏祿的騎兵沖來，放緩進攻速度，區分波次進行射擊準備，待葛邏祿騎兵進入射程后，唐軍開始了第一輪齊射，大量的葛邏祿騎兵中彈身亡。
其余的葛邏祿騎兵加快突擊速度，企圖快速沖進唐軍的陣營內，砍殺唐軍，沒想到緊接著迎來第二波齊射，然后是第三波齊射，連續密集的齊射打的葛邏祿騎兵傷亡慘重，根本無法突破唐軍的阻擊線，不得不掉頭逃跑。
唐軍看到葛邏祿騎兵逃跑，立即開始追擊，那些葛邏祿騎兵扔下部眾，沿著伊犁河向西狂奔。唐軍放棄這些潰兵，轉而直接攻擊葛邏祿的大量部眾，這些部眾都是拖家帶口，帶著很多牲畜牛羊，根本跑不快，被唐軍一番攻擊，紛紛投降。
葛邏祿可汗迦必略帶著一些親兵已經渡過伊犁河，看到對岸的唐軍的攻勢兇猛，己方敗局已定，不得不拋棄部眾，帶著一千多親兵向南逃去。
此役，唐軍俘獲了葛邏祿六七萬部眾，奪取了大量的牛羊物資。李愬不愿帶著這些人進軍，征收了一部分牛馬作為軍需物資以后，抓了一些貴族領頭人物，然后就放了其他普通的民眾，然后在伊犁河搭起一個簡易的浮橋，率領大軍渡過伊犁河。
為處置葛邏祿部眾，加上搭設浮橋，唐軍在伊犁河一帶耽誤了五六天，葛邏祿可汗迦必略趁機逃到大食國去搬救兵。李愬知道大食國兵力強大，必須慎重對待，不再急于進軍，過了伊犁河以后收攏隊形，帶上重炮和輜重緩緩前進，同時派出斥候，偵察前方的敵情。
唐軍渡過碎葉川（今楚河）后，繼續前行了一段距離，斥候來報，前方發現大量的大食部隊，李愬此次有備而來，當然不會害怕，率軍繼續前行。李愬遠遠望去，發現敵方大概有五六萬軍隊，自己這邊也有五萬多人，雙方算是旗鼓相當。
李愬算了一下，此地正在怛羅斯附近，仇人相見分外眼紅，唐軍有火器優勢，本可以直接發起攻擊。李愬認為，大食軍在這里以逸待勞，必然是提前做了準備，自己這場仗只能勝不能敗，還是要準備充分的一些。
李愬一面讓斥候繼續偵察，一方面排兵布陣，李愬讓鎮西軍排在第一列，讓炮兵排在中間，8個襄人團排在最后，前期盡量發揮鎮西軍的火力優勢，最后沖擊殺敵時再讓襄人團參與。
李愬讓部隊按照陣型又向前移動了一些，確保對方的部隊在自己的炮兵射程之內。
大食軍看到唐軍往前移動，還以為唐軍要發起進攻，開始用拋石機扔出黑色的物體，這些黑色的物體落在唐軍的前沿位置，有的里面裝的是火油，落地后開始熊熊燃燒，有的落地后居然爆炸了，對最前面的唐軍造成了損傷。
李愬非常驚奇，這不是火藥嗎，大食軍什么時候搞到的？李愬下令部隊停止前進，讓炮兵開始射擊，唐軍的炮兵比大食的拋石機的射程要遠不少，大量的炮彈射向大食軍，落地不久即炸，大食軍的陣型很快就被炸亂。
這些大食軍不甘心被動挨打，指揮部隊向前沖鋒，唐軍部隊早有準備，待其靠近后用火槍射擊，沒想到對方的軍隊也響起了槍聲，但是射擊距離不如唐軍，只對最前方的唐軍造成一些殺傷。
經過唐軍的槍炮火力的連續打擊，大食軍支撐不住，開始掉頭逃跑，鎮西軍和8個襄人團立即展開追擊，唐軍突入大食軍的陣營后，居然有不少大食軍也舉槍向唐軍射擊，有些唐軍認出來了，就是唐軍早期用的突火槍。突火槍的射擊面大，但是射擊距離不如燧發槍，唐軍于是保持距離，對大食軍邊追邊打。
經過一番激戰，約有近兩萬大食軍騎兵向西逃跑，其余部隊不是死傷就是被俘。
戰后，李愬讓人清點一下，唐軍傷亡一千多，其中陣亡四百多，大食軍傷亡近兩萬，其中陣亡五千多，包含傷兵總共俘虜近三萬人。李愬立即帶翻譯審問俘虜，追查大食軍火藥和突火槍的來源。
經俘虜供認，當年大食派了兩撥暗探，一撥人被抓，另外一波人從唐朝兵工廠的工人口中套出了，火藥“一硫二硝三木炭”的配方口訣，回去以后經過多次試驗，在元和十二年成功研制出了火藥。
大食雖然研制出了火藥，但是對槍炮的制作工藝還沒突破，只能制作一些簡單的炸彈和突火槍。
李愬聽了大食俘虜的供認，覺得如果不是皇帝李純后面嚴控外國人入境，可能連槍炮的制作方法也被大食人搞去了，自己這次戰役將毫無優勢，甚至可能失敗。
戰勝大食人后，李愬覺得算是報了當年唐軍在怛羅斯的戰敗之仇，決定在此祭拜當年殞命于此的唐軍亡魂。李愬命人將陣亡的五千大食軍尸體堆疊起來，壘成一個京觀，然后率領唐軍開始祭奠七十年前在此戰死的唐軍英靈。
唐軍裨將高文良正是高仙芝的后人，在祭奠活動中哭的最為悲痛，其他唐軍在他的帶動下哭聲一片，哀悼這些當年為了開拓大唐疆土，亡命于異域的大唐孤忠。
李愬也不自覺的落下了眼淚，當年安西軍艱苦卓絕，在西域開創了一片天地，后面因為安史之亂全部丟失，自己這次一定要全部奪回失地，徹底擊敗此處的大食人。完成祭奠后，李愬命人在此立石刻碑，紀念對大食反擊的勝利。
李愬認為，必須重建當年唐軍在中亞一帶設立的重要城鎮，其中最重要的就是碎葉城，老的碎葉城已經損毀，李愬決定在碎葉川中游一帶選擇一個小城，重新建立碎葉城。
李愬在新的碎葉城留下一個契胡團，并將俘虜大食普通士兵遣散，留下幾十個大食將領和葛邏祿首領，由該團看押，并在此建立一個保障基地，供應前方的軍需物資。
李愬處理好后方的事務后，率軍繼續向南進發，進攻大食本土。此時的大食實際上已經分裂，統治中亞一帶的是薩曼家族，正是他們上次派出兩撥暗探到唐朝盜取火藥技術。薩曼家族成功盜取火藥技術后，在武器研發上遇到了一些技術難題，只能制作一些簡單的炸彈和突火槍，這次準備利用這些東西，對抗唐軍的進攻。
唐軍越過千山余脈，就到達大食的北部邊城白水城（今哈薩克斯坦奇姆肯特），前面那些大食潰兵正是逃到此處，與當地的守軍匯合，聚集了三萬人，妄圖阻擋唐軍的進攻。
李愬知道大食人有了火藥，甚至造出了炸彈和突火槍，就比較小心，與白水城保持一段距離列陣。當時拋石機的投射距離一般都在100丈左右，最遠不超過150丈，李愬干脆將大炮放置在距城180丈的距離，既可以防止敵方拋石機的反擊，也在己方炮火射程范圍內。
李愬準備就緒后，就開始炮擊，由于距離遠，射擊的準確性會差一些，但是基本都落進白水城內。白水城不大，原有的居民加上三萬軍隊在這里，城內的人員密集，炮火所到之處，炸的大食軍傷亡慘重。
由于唐軍在大食軍的反擊距離之外，大食軍無可奈何，只能被動挨打。唐軍炮擊了一天，大食軍受不了，趁夜南逃，唐軍第二天順利占領白水城。
唐軍占領白水城后，繼續向薩曼的北部重鎮柘析城（今烏茲別克塔什干）進發，柘析城是原石國都城，是中亞一帶的一個大城，是薩曼家族必守的一個城市。
白水城的潰軍全部逃到柘析城，加上原來的軍隊，共有五萬人左右，薩曼家族知道了唐軍火器的厲害，決定揚長避短，將唐軍阻擊在城外。
從白水城到柘析城需要經過一個山谷，谷底有條道路，直通柘析城。唐軍在前進的過程中還是保持一定的警惕，發現山谷的兩側埋伏了不少大食軍，當即停止前進，準備先清剿山谷兩側的大食軍。
大食軍本想等唐軍全部進入山谷后，再發動伏擊，沒想到被唐軍的前鋒發現，當即提前發起攻擊。只見大食軍從山坡上扔下一些點燃的陶罐，唐軍一看太熟悉了，就是陶罐炸彈，趕忙紛紛躲避，盡管唐軍提前躲避，但是還是有一些唐軍被炸死炸傷。
唐軍途徑的這個山谷相對低矮，并不險峻，李愬當即命令部隊清剿山谷兩側的大食軍。唐軍端著槍，向山坡上的大食軍發起進攻，有的大食軍繼續朝唐軍扔炸彈，唐軍一邊躲避一邊對大食軍射擊，打的大食軍死傷慘重，唐軍也有一部分損失。
唐軍接近后，大食軍又拿著突火槍反擊，所以唐軍不敢靠近大食軍，只能在五十丈以外，利用射程優勢，持續射擊大食軍。
經過一個多時辰的對戰，山谷兩側的大食軍不敵，紛紛向南潰逃，李愬指揮山谷中的唐軍騎兵向南追擊。大食軍在山上徒步跑不快，很快就被唐軍的騎兵越過，唐軍騎兵在前方狙擊，山上的唐軍在后方追擊，大部分大食軍被迫投降，少部分大食軍逃進山谷兩側更遠的山區。
經過山谷一戰，唐軍又死傷千多人，大食軍也死傷被俘一萬多人，李愬被大食軍埋伏，又損失了一批人，心中非常郁悶，押著大食俘虜繼續向柘析城進發。