贞观二十一年（647 年）十一月十日，袁天纲刚东征高丽回到长安，人还未休整一下，就接到李世民的诏命：
“任命毕国公、夏州都督阿史那社尔为昆丘道行军大总管，柱国契苾何力、安西都护郭孝恪、侍中袁天纲等为行军副总管；
灵州都督薛万彻、沙州刺史苏海政率领精骑一部配合作战。征发铁勒、突厥等部十余万唐协军征讨龟兹。”
同一日，李世民任命王玄策为正使，蒋师仁为副使出使天竺（古印度）。
原来西域局势发生了巨变，西突厥乙毗沙钵罗叶护可汗（薄利特勤）与沙钵罗利失可汗（同俄特勤）都先后去世，西突厥贵族们拥立沙钵罗利失可汗侄子莫贺咄为乙毗射匮可汗。
乙毗射匮可汗即位后，与欲谷设的叶护阿史那贺鲁相互勾结，在西域攻城掠地，侵扰不休，已攻占了处月、处密、龟兹、于阗、疏勒等国，使大唐与西域之间的丝绸之路又断绝了。他曾率西突厥军队进攻高昌国故地西州，被安西都护郭孝恪率领安西军击退。
袁天纲刚回到长安，因他多次出使西域，熟悉西域当地事务，就被李世民亲自点将，征尘未洗，随阿史那社尔出征西域。
贞观二十二年（公元648年）二月二十日，阿史那社尔率领铁勒、突厥、唐人的多国部队，到达西州，与安西都护郭孝恪汇合后，然后一起出发向龟兹国（今新疆阿克苏市库车县）进发。
经过十五日的行军，到达龟兹国都城龟兹城外，乙毗射匮可汗扶立的龟兹国国王布失毕据城防守，阿史那社尔命令唐协军攻城，由于唐协军都是铁勒、突厥部落骑兵，不善于攻城，因此进攻了一天，还未能攻下城池。
袁天纲熟悉西域山川地形、人文风貌，就向阿史那社尔献计：
“阿史那将军，我们可以采取水攻战术。库车河沿着龟兹城的西南流淌而过，源于科克铁克山的莫斯塔冰川，河源最高点海拔4550米，河尾最低点海拔930米，河流全长400余里。我们可以利用库车河的上下游高低落差，派军队在库车河的上游堵塞河道，然后进行泄洪，可以一下子将龟兹城的西南城墙冲垮，我们再率领骑兵涉水攻城。”
阿史那社尔深感袁天纲计策甚妙！于是就派郭孝恪带领五千士兵依计到库车河上游堵塞河道，当蓄水形成堰塞湖后，再命令士兵疏通河道里堵塞物泄洪，库车河水如奔腾的野马一泄百里，龟兹城是用夯土筑造而成，经不起河水冲击，一下子就冲垮了。阿史那社尔趁机率领铁勒、突厥等骑兵涉水而过，穿过被冲垮的西南城墙，冲进城内，举起弯刀向着慌乱中的龟兹守城士兵一阵猛砍，斩杀不少龟兹士兵，龟兹国国王布失毕率轻骑逃到焉耆城避难，国相那利也只身逃走。
唐协军占领龟兹城后，阿史那社尔率军占领龟兹国王宫，拥立龟兹国王布失毕的王弟先那准为新龟兹国王。龟兹国都城被攻占后，整个龟兹国内的城邦为之震动，守城将士大都弃城逃走。不出十日，唐协军全部占领龟兹国。
趁着唐协军士气高涨，阿史那社尔命令郭孝恪率领一千士兵防守龟兹城。他与契苾何力、薛万彻、苏海政等将领分兵攻占处月、处密、于阗、疏勒等国，并击退了乙毗射匮可汗派来的阿史那贺鲁2万援军，乘势攻占了于阗国，俘虏了于阗国王伏阇信。
四月十日，阿史那社尔率唐协军从龟兹城出发，去进攻乙毗射匮可汗的巢穴──焉耆城。
乙毗射匮可汗在焉耆城的城墙上，看到唐协军如乌云般密密麻麻地围起城来，心中大慌，强命阿史那贺鲁率领突厥军队据城防守，拼死抵抗，唐协军围攻了三日都没有攻进去。
阿史那社尔召集契苾何力、袁天纲、薛万彻、苏海政等将领召开军事会议。众将领针对如何攻占焉耆城，一致认为乙毗射匮可汗在做困兽犹斗，对如何破城都一筹莫展。
阿史那社尔看到众将领都不吭声，他略作沉思地说道：
“现在乙毗射匮可汗所依仗的是阿史那贺鲁，这个阿史那贺鲁是我的堂兄弟，如果能劝降他，焉耆城就不攻自破。所以，我想亲自进城劝降他。”
众将领一听，都极力劝说他作为唐协军主帅，亲自进城犯险是万万不可的，但是阿史那社尔执意要去，正在大家僵持不下时，袁天纲发话了：
“阿史那将军，还是我进城一趟，请你修书一封信，我转交给阿史那贺鲁。”
阿史那社尔一听，马上脑袋摇的跟拨浪鼓一样，坚决反对。
袁天纲微笑地对阿史那社尔说道：
“阿史那将军，你是了解我的，我是一位福将，算无遗策，每次都是化险为夷。”
阿史那社尔见袁天纲执意要去，就只好亲自修书一封交给袁天纲，请他找机会进城交给阿史那贺鲁。
夜深人静时刻，袁天纲带着阿史那社尔的亲笔信，趁着夜色，他来到焉耆城墙角下，试着向城上的突厥士兵发出一阵狼嚎声，这是原先同俄特勤所带领的突厥狼卫的联络暗号，没多久城上放下一个柳树筐，袁天纲就坐上柳树筐，被城上的突厥人拉上去，这时一位突厥将领向袁天纲行礼，然后问道：
“您可是袁天纲袁尊使？”
“正是本人！”袁天纲仔细看着这位突厥将领，原来是同俄特勤手下的一位叫察吉里的狼卫，察吉里又继续问道：
“袁尊使，您冒死进城是有何贵干？”
“请带我去见阿史那贺鲁，我有一封信需要交给他。”袁天纲说道。
察吉里听罢，就给袁天纲换上突厥士兵的服装，然后带着他去城墙上的箭楼见阿史那贺鲁。
阿史那贺鲁见到袁天纲，大吃一惊，袁天纲连忙把阿史那社尔的亲笔信交给他，他看罢沉思了许久，问道：
“我如果投降大唐，还会追究我以前的罪过？”
袁天纲马上答复他：“阿史那社尔投降了大唐，现在是大唐的毕国公、夏州都督，还娶了天可汗的亲妹妹衡阳公主。你如果弃暗投明，我与阿史那社尔可以向腾格里发誓，不但对你以往的罪过既往不咎，还可以取而代之乙毗射匮可汗的位置。”
阿史那贺鲁一听，就毫不犹豫地同意投降，并且承诺向天可汗交一个投名状──乙毗射匮可汗。
于是，他命令突厥士兵打开城门，放早已在城外等候多时的唐协军进城，并做向导一起杀进王庭，将正在沉醉中的乙毗射匮可汗俘虏，同时被俘虏的还有来此避难的龟兹国前国王布失毕。