唐軍到達柘析城外圍后，在安全距離以外架起大炮，直接向城內轟擊，炮火整整轟擊了一天，大食軍沒有任何動靜。到了半夜大食軍從南門突圍而出，一路向南逃去，唐軍在夜間情況不明，沒有貿然追擊。
第二天，唐軍進入柘析城，開始占領城內各個要地，肅清殘敵，準備接收這個城市。有一支唐軍攻進總督府，沒想到這里還有少量大食軍，兩軍對戰了一陣，殘存的大食軍引燃了預先埋設的炸藥，炸毀大量的房屋，突入總督府內的唐軍也傷亡慘重。
李愬聽到爆炸聲后，立即帶兵到達此處，看到這里墻倒屋塌，有不少唐軍死傷，甚至還殘存一些大食軍，李愬命令身邊的唐軍將殘存的大食軍全部擊斃，一個不留。經過清點，唐軍在總督府死傷了兩百多人，把李愬快要氣炸肺了。
李愬下令在全城大搜捕，把凡是殘存的大食軍或者可疑人員全部抓起來，后面又抓到幾百大食殘軍，發現了兩處埋設炸藥的地方。李愬決定在柘析城多待幾天，對俘虜進行審問，徹底清除這里的隱患。
在徹底清除城內的大食殘軍以后，李愬覺得這次俘虜的一萬多人不能再釋放，全部關押起來，留下一個契胡團看管，待徹底拿下薩曼王朝以后，再釋放這些人。
李愬考慮到，此地原為粟特人所建的石國都城，就召來當地的粟特貴族，組建了一個臨時政府，由留下的契胡團監督，然后率軍繼續向南進發。
李愬向南進攻的過程中，大部分地區基本上是不戰而降，少量的抵抗也很快被粉碎，部隊后續到達薩曼的中部大城康城（今烏茲別克撒馬爾罕）。
有了柘析城的教訓，李愬不再急于進攻，而是先派兵將康城團團圍住，然后再開始炮擊。康城的大食軍對待唐軍的炮火無力反擊，只能被動挨打，唐軍連續轟擊了兩天后，康城被迫打出白旗投降。
李愬怕其中有詐，命令康城的大食軍全部出城繳械投降，總共抓了三萬多俘虜。將大食軍的俘虜控制起來后，李愬又派兵到城內搜查，查看是否有大食殘軍或者埋設炸藥之類的，經過徹底排查后，李愬才率軍入城。
康城是中亞一帶最富庶的城市，城內居民善于經商，往來于絲綢之路上的很多都是粟特商人，其中又以康城最多。李愬進城后，當地的粟特貴族和商人，拿出大量的財物進獻給唐軍，表示愿意接受唐朝的統治。
李愬戰前也了解一些情況，中亞的粟特人善于經商，但是不善于軍事，往往誰強大就依附于誰。既然這里的粟特人主動投降，就不愿過分為難他們，召來當地的粟特首領，建立一個臨時政府，保證對唐軍提供足夠的軍需物資，并留下一個契胡團進行監督。
康城富庶，對待唐軍非常慷慨，好吃好喝供著，還提供大量的財物，李愬怕繼續待下去就會被腐蝕的沒有了斗志，趕忙率軍繼續向西南進發，朝薩曼的首府安息城（今烏茲別克布哈拉）進軍。
大食分裂以后，波斯人在波斯東部和中亞一帶建立塔希爾王朝，但是薩曼家族又從塔希爾王朝獨立出來，在中亞一帶建立了自己的政權。
薩曼家族也是波斯人，利用中亞粟特人的軟弱，在這里建立起獨立政權，安息城是原來的粟特安國都城，目前成為薩曼王朝的首府。安息城是薩曼家族四兄弟最重要的據點，薩曼四兄弟的老大艾哈邁德決定拼死抵抗，聚集了剩余的六萬軍隊，在城內城外分別駐扎。
唐軍到達安息城以北時，已經天黑，決定先就地宿營，待第二天再攻城。艾哈邁德決定利用這個機會發動一次夜襲，企圖在城外將唐軍擊敗，薩曼大食軍準備了兩萬騎兵，帶著大量的炸彈，趁夜向唐軍營地進發。
薩曼騎兵遠遠看到唐軍營地后，就加速朝唐軍沖去，唐軍警戒人員發現敵軍來襲后，立即鳴槍示警。唐軍保持高度的戒備，聽到槍聲后，立即拿起武器反擊，由于天黑，無法精準射擊，夜間兩軍混戰在一起。
經過唐軍的狙擊，殺傷了很多沖擊過來的薩曼軍，有些薩曼騎兵沖入唐軍營地內，朝唐軍扔出點燃的炸彈，炸死炸傷了一些唐軍。
由于唐軍是燧發槍，無需點火，用的又是標準裝藥，所以裝填射擊的速度比較快。薩曼軍攜帶的突火槍，裝填發射的速度比較慢，突火槍和炸彈還要用火把點燃。
那些拿著火把的薩曼軍在夜間非常顯眼，就成了唐軍的活靶子，經過連續的激戰，薩曼軍傷亡越來越大，那些拿火把的薩曼軍被消滅殆盡，剩余薩曼軍的火器無法使用，只得退去。
天亮以后，唐軍清點戰場，發現薩曼軍留下六千多具尸體，唐軍也有一千多的傷亡。李愬讓士兵們飽餐一頓，然后向安息城進發，先將安息城團團圍住，唐軍在包圍安息城時，又有部分薩曼軍出城反擊，企圖阻止唐軍包圍安息城，被唐軍的密集火力打回城內。
唐軍完成對安息城的包圍后，開始對城內炮擊，唐軍連續炮擊了三天，安息城多段城墻被炸塌，城內的薩曼軍毫無反應，李愬決定開始攻城。唐軍在接近城墻時，薩曼軍也是沒有反應，唐軍一度以為薩曼軍準備要投降了。
當唐軍快靠近城墻時，薩曼軍突然反擊，同突火槍和弓箭向唐軍射去，唐軍也立即還擊，經過持續對戰，唐軍的火力優勢發揮出來，在城墻抵抗的薩曼軍逐步被消滅，唐軍開始從城墻的缺口攻入城內。
城內的薩曼軍很頑強，逐個街區的跟唐軍爭奪，但是隨著入城的唐軍越來越多，薩曼軍的死傷越來越慘重。
薩曼四兄弟看到不是唐軍的對手，開始集中兵力朝南門突圍，南門附近本有一些圍城的唐軍，與突圍的薩曼軍展開了激烈的對戰。經過一番激戰，薩曼軍留下大量尸體后，還是有一部分人突圍而去，一路向東南方向狂奔。
經過一天的激戰，唐軍徹底占領安息城，剩下的薩曼軍全部投降，李愬率軍入城后，將俘虜關押起來，然后命令唐軍就地休整。唐軍休整期間，李愬從原安國的粟特貴族中挑選歸順唐朝的首領，在安息城恢復秩序，建立一個臨時政府，并留下一個契胡團負責監管。在補充了一些物資后，唐軍繼續向東南方向進軍，追擊薩曼殘軍。
薩曼殘軍沿著阿姆河向東逃跑，進入吐火羅一帶，最后在步師城（今塔吉克斯坦庫爾干秋別以南）召集殘余部隊，企圖在這里進行最后的頑抗。唐軍尾隨到達步師城，剛包圍城市不久，還沒開始炮擊，城上就打起白旗，發出投降的信號。李愬剛開始還不信，以為有詐，派出使者去了解一下情況。
原來，薩曼兄弟并不得人心，完全依靠武力實現對當地的統治，經過幾輪戰斗，薩曼家族的軍隊損失殆盡，在步師城內只聚攏了一萬多軍隊。吐火羅人明知不是唐軍的對手，不愿繼續追隨薩曼家族，城內的士兵也知道唐軍的厲害，畏戰心理嚴重，薩曼兄弟看到形勢無法挽回，覺得與其到最后下場凄慘，不如早點投降。
唐軍拿下步師城以后，就相當于徹底征服薩曼王朝，李愬認為原先的計劃有點理想化，唐軍經過多**戰，損失較大，不宜分兵，決定繼續合兵一處，進攻塔希爾王朝。
李愬認為，既然已經攻下薩曼王朝，繼續留著那些俘虜就沒啥意義，讓斥候傳令將以前俘虜的薩曼士兵遣散，但是繼續羈押一些重要將領。李愬又在步師城留下一個契胡團，與當地的吐火羅人貴族組成臨時政府，然后在步師城以南渡過阿姆河，進入塔希爾王朝境內。
塔希爾王朝由波斯人建立，統治中心位于呼羅珊一帶，主要疆域位于今伊朗東部、土庫曼斯坦和阿富汗一帶，其國都為尼沙普爾（今伊朗馬什哈德附近）。
塔希爾王朝名義上屬于黑衣大食，但是實際上處于半獨立的狀態，塔希爾王朝原本實力較強，薩曼王朝獨立出去以后，國勢漸衰，但是波斯人尚武，該國仍有十幾萬以騎兵為主的部隊。
李愬率軍進入塔希爾王朝境內后，決定采取先東后西的方式，先就近掃平其東部地區，而后再向西進攻其國都，最后向北返回康城一帶。李愬首先遇到的是塔希爾王朝東北部重鎮遲散城（今阿富汗馬扎里沙里夫附近），遲散城位于一個沙漠綠洲中，四周無險可守，李愬覺得該城應當好打。
沒想到，唐軍剛剛包圍遲散城，這個城市就打白旗投降了，遠遠超出了李愬的預想。李愬怕其中有詐，先派人進入城內查看，果然是真投降，但是此城卻是一座空城。
原來，遲散城的守將早就聽聞唐軍進攻薩曼王朝的情況，認為不是唐軍的對手，帶著所有軍隊和物資，提前向南撤離了。李愬覺得憑空得到一個城，省了刀兵之苦，也算是好事，此處離步師城不遠，就由那里新建的臨時政府代管。
李愬率軍沿著大路繼續向南進發，由于遲散城周圍非常干旱，完全依賴河流的滋潤，所以道路基本沿著河流的方向延伸。李愬率軍沿著河流向南前進不遠，發現前面有一個峽谷，兩邊山勢陡峭，非常險峻，是個設伏的好地方。
李愬聯想到遲散城的守軍不戰而退，覺得他們極有可能退到這里，為了穩妥起見，李愬決定先派出斥候偵察一番。
由于此地干旱，山上都是光禿禿的，斥候還沒回來，李愬就看到山上有不少敵軍，他們果然是要借助這個天險擋住唐軍。這個山谷是唐軍南下的必經之路，如果從其他地方繞過去，路程遠不說，沒有水源也是難題，所以唐軍必須要攻克這個關隘。
李愬認真看了一下，這個峽谷非常險峻，雖然唐軍有火力優勢，想直接闖過去也很難，只能另辟蹊徑。李愬又觀察了一番，發現峽谷西側的山脈比較高大陡峭，難以攀登，峽谷東側的山脈有一段相對低矮一些，人員可以攀登過去。
李愬決定采取正面牽制，側翼突破的方式，從東側相對低矮的一段山脈包抄過去，首先控制峽谷的東側，再想辦法解決峽谷西側的敵軍。
李愬估計關隘的大食軍有一兩萬人，決定派出副將陳弘嶺帶領三千鎮西軍加上一個契胡團共六千人，從東側山脈包抄過去，自己率領主力部隊在正面牽制。側翼部隊行動的同時，主力部隊開始對峽谷開始進行炮擊，阻止他們分兵阻擋包抄部隊。
塔希爾的大食軍緊急從山谷后側調集一些兵力，向東側的山脈增援，率先占領山頭，企圖阻擋唐軍的進攻。
東側的山脈也有五六百米的高度，中間崎嶇難行，塔希爾的大食軍也掌握了火藥技術，搞了一些突火槍和炸彈，唐軍如果接近，他們就會扔出炸彈滾下來，對唐軍造成一定的傷亡，唐軍被迫躲在溝壑當中，與山上的大食軍形成對峙。
李愬遠遠看去，發現側翼的唐軍被阻擋在半山坡，急的半死，連忙指揮炮兵又對著東側山頂的大食軍進行密集的炮擊，山上的大食軍無處躲避，產生了較大的傷亡，被迫退到山頂的后側。
停止炮擊后，陳弘嶺趁機帶領唐軍再度向山頂發起攻擊，沒想到山頂上的大食軍再次出現，又開始攻擊唐軍。