唐军到达城东后，按照以往模式，派出兵力从南北两个方向包围过去。城内的塔希尔军不甘心被围，派兵从南北两个城门冲出，企图截击两翼的唐军，经过一番激战，出城的塔希尔军被唐军击败退回城内。当晚，塔希尔军再次出城夜袭唐军，又被唐军击败，被迫退回城内。
次日，有一万多前来支援的塔希尔军抵达城西，当即对城西的唐军展开进攻，城内看到城外有援军过来，当即也派出兵力出城接应，三股军队在城西展开了激烈的交战。
唐军虽然战斗力较强，但是在城西的兵力不多，在城内外两股塔希尔军的拼死进攻下，产生一定的伤亡后被迫后撤，城外支援的塔希尔军趁机突入城内。
李愬调集一个襄人团加强到城西一带，继续包围城市，并开始炮击城市。城内的塔希尔军不甘心被动挨打，夜间又派出大股兵力从南门出来夜袭，这里的唐军早有准备，经过激烈的对战，塔希尔军留下一堆尸体，被迫撤回。
经过连续几天的战斗，塔希尔军始终处于被动挨打的状态，虽然发起好几轮反击，但是均告失败。随着唐军持续不断的炮击，尼沙普尔城内的伤亡越来越大，塔希尔的统治者阿卜杜拉开始顶不住了，最后不得不下令投降。
唐军完成了对尼沙普尔的占领后，眼见就到了六月底，李愬想着北方的吉利斯汗国还没消灭，不由得心急如焚，就想尽快率军北返。
在离开前，李愬释放了绝大多数的俘虏，扣押了阿卜杜拉等几十个官员和将领，计划随军押到康城。李愬还留下一个契胡团，在一些降臣的配合下组建一个临时政府，暂时治理塔希尔王朝西部。
唐军向北出了山谷后，沿着沙漠中的绿洲，往安息城的方向进发，在路上遇到塔希尔的北方重镇木鹿城。李愬派人押着阿卜杜拉等人来到城下，要求木鹿城投降，木鹿守军看到大势已去，不愿做无谓的顽抗，最终投降唐军。
唐军越过木鹿以后，进入了一段较长的沙漠路程，路上水源匮乏，唐军因缺水而干渴不已，等抵达阿姆河时，唐军集体跑到河里痛饮，然后在此休整洗漱了一番。渡过阿姆河以后，唐军很快抵达安息城，补充了一些物资，然后继续向东行军，在7月中旬抵达康城。
康城富庶，物资丰富，居民对唐军的接受度高一些，李愬将此地视为唐军在中亚一带的中心据点，让大军在这里休整了几天，在七月下旬率领镇西军和最后一个契胡团，从康城出发，往北进发。唐军一路经柘析城、碎叶城，在八月下旬抵达巴尔喀什湖东北方向的小城阿亚古兹（今哈萨克东北部），开始进入吉利斯汗国境内。
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