战胜吐谷浑之后，唐太宗又把目标对准了高昌。高昌位于吐鲁番一带，与中原相距甚远，唐太宗时期的高昌王麴文泰，跟中原的唐朝中央政府保持了一段良好的关系。但是不久之后，西突厥控制了高昌，并联合高昌一起攻打位于天山南部的焉耆，设阻断绝了西域与唐朝的往来。高昌攻打焉耆，唐廷震动很大，太宗派使者前往调节，要求高昌把焉耆的人放回去，遭到高昌的拒绝。贞观十三年（639）十二月初四，太宗诏令侯君集为交河道行军大总管，左屯卫大将军薛万均为副总管，率步骑数万及突厥、契苾何力之众征讨高昌。
麴文泰以为唐离高昌有七千多里之遥，沙碛阔约两千多里，地无水草，气候异常，唐朝不会以大兵相加。但是，唐军不仅向高昌宣战，而且以熟悉地形的契苾何力为引导，迅速抵达碛口。麴文泰得知唐军来袭，紧张万分，忧惧而死，其子智盛即位。
贞观十四年八月，侯君集率唐军抵达柳谷，派契苾何力为前锋，进攻田地城。契苾何力顺利攻下了田地城，俘男女七千余人。侯君集又命中郎将辛獠儿为前锋，直趋高昌城。麴智盛率军迎战，被击败后退保都城。侯君集命将士填堑攻城，又造高5丈可以俯瞰城内的巢车，对城内动静了如指掌。奉命前来救援高昌的西突厥军畏惧唐军威势，也在可汗浮图城投降。麴智盛见大势已去，被迫于初八开城门出城投降。侯君集继续分兵略地，共攻下三郡、五县、二十二城，得户八千多，人口将近四万，马四千多匹，占地东西八百里，南北五百里。唐在高昌置西州，在可汗浮图城置庭州。二十一日，又置安西都护府于交河城，留兵镇守。西州后来成为唐经营西域的前沿阵地，在战略上具有极重要的地位，不但为唐统治西域提供了坚实的基地，而且为后世治理西部积累了丰富的经验，更为国际之间展开经济文化交流提供了最基本的保障。
消灭高昌后，焉耆成为打通丝绸之路又一个新的障碍。焉耆东面紧挨着高昌，西面是龟兹，地理位置独特。贞观十四年，侯君集讨伐高昌的时候，曾派使者与焉耆联合，等到高昌被灭，焉耆王到军门拜见侯君集，侯君集把高昌夺取焉耆的城池和百姓都还给了焉耆王，唐与焉耆建立了良好的关系。但也是这一年，西突厥大臣屈利啜的弟弟迎娶了焉耆的公主，这样焉耆和西突厥又结成了联盟，极大威胁到唐朝西域道路的畅通。为了解决这一威胁，唐太宗命安息都护郭孝恪出兵焉耆，途中遇焉耆王弟弟颉鼻叶护等三人，在颉鼻叶护等人的带领下，郭孝恪精选骑兵三千，从银山道出击，日夜兼程，到达焉耆之后大破焉耆，俘获其国王，立栗婆准为王。但郭孝恪班师后，西突厥的屈利啜带兵攻下焉耆，并杀害栗婆准立薛婆阿那支为王。贞观二十一年（647），唐将阿史那·社尔征讨龟兹，擒获薛婆阿那支，立先那准为王，自此，才彻底解决了焉耆问题。
龟兹也是西域的重要城市，在贞观时期也逐渐成为唐朝边境上的威胁，贞观二十一年，唐太宗派昆丘道行军大总管、左骁卫大将军阿史那·杜尔和丘道行军副大总管契苾何力、安西都护郭孝恪，动用十万铁骑征讨龟兹。阿史那·社尔分兵击败龟兹，后郭孝恪留守王城。后来，龟兹的丞相那利暗中引进西突厥的势力进行疯狂反扑，郭孝恪被杀。唐又派兵进行平定，擒获那利等人，彻底收服龟兹。
消灭东突厥，平定吐谷浑、高昌、焉耆、龟兹等西域小国，葱岭以东的许多小国也纷纷摆脱了西突厥的控制，和中原唐朝开始频繁往来，西域的道路就此畅通。唐朝在龟兹设立了“安西都护府”，治理龟兹及其周边地区，既保证了新疆和内地的交通畅通，也促进了中亚和唐朝中原地区经济、文化的往来和繁荣。
统一西域后，西突厥变得孤立起来，而唐太宗也开始对西突厥采取手段。初唐时期，西突厥在统叶护可汗的治理下，非常强盛，控制了西域及中亚的很多地区。但是贞观二年，西突厥内乱，统叶护可汗被莫贺咄杀死，莫贺咄自立为可汗，而统叶护的儿子也自立为可汗。这样两个集团相互厮杀，使西突厥陷入连年内乱。西突厥的两个集团都向唐朝求助，唐太宗采取了观望的态度，从中调停。后来统叶护的儿子打败了莫贺咄使西突厥暂时统一。贞观六年，咄陆可汗被立，他派使者向唐求和，并表示愿意归附，甚至可以取消自己的可汗称号。太宗接受其要求，但仍让咄陆做西突厥的可汗，并赐给他大量的财物，自此，唐和西突厥持续了短暂的和平。贞观十六年，西突厥的乙毗咄陆可汗侵扰伊州，被唐军击退。贞观二十三年，突厥的阿史那贺鲁又侵扰唐朝的庭州，太子李治命梁建芳、契苾何力率三万精兵和五万回纥骑兵击退了西突厥的进攻。到高宗时期，唐朝大败贺鲁，突厥汗国纷纷投降，自此，长期威胁唐朝西北边疆的西突厥势力终于平定，而这个胜利和唐太宗时期打下的基础有密切的关系。唐朝大败西突厥，为开发和巩固唐的西北边疆，促进中央与地方、内地和边疆，及多民族统一国家的形成，奠定了良好的历史基础，直接促进了唐朝的繁荣昌盛。
