吐谷渾再攻涼州後，唐太宗下令大舉攻擊吐谷渾。他想派大將李靖指揮，但考慮到李靖63歲的高齡，遲遲沒有決定。然而，當李靖聽說後，他主動請命，唐太宗很高興，十二月，以特進李靖爲西海道行軍大總管，兵部尚書侯君集爲積石道、刑部尚書任城王李道宗爲鄯善道、涼州都督李大亮爲且末道、岷州都督李道彥爲赤水道、利州刺史高甑生爲鹽澤道行軍總管，輔以突厥和契苾部隊，大舉討伐吐谷渾。在這一過程中，一些党項、西羌部落擔心他們將被唐朝吞併，於是加入了反抗唐朝的吐谷渾陣營。
635年夏，唐軍開始反擊吐谷渾軍，經李道宗對伏允取得一些小的勝利後，伏允又使用了與對付段志玄相同的策略，焚燒草地逃走。李靖絕大多數下屬認爲，沒有足夠的牧草，進行遠征是一種冒險，並表示撤軍。但侯君集表示反對，指出這是摧毀吐谷渾的機會。李靖採用侯君集策略，分部隊爲兩支，李靖自己和薛萬均、李大亮進擊西北，侯君集和李道宗進擊西南。兩路都取得成功，只有一次戰鬥中，薛萬均和他的弟弟薛萬徹中了吐谷渾陷阱而幾乎被殺，幸虧契苾何力的救援，才保住一命。最終李靖得知伏允的位置，擊敗他的殘餘勢力，伏允敗走。貴族擁立伏允和妻子隋朝光化公主的大兒子大寧王慕容順爲主，慕容順一直反感自己沒有被立爲王儲，他殺害了天柱王，投降唐軍。伏允逃亡中，被部下所殺。唐太宗以慕容順爲西平郡王、趉故呂烏甘豆可汗(甘豆可汗)，接替伏允。
