凯旋归来的苏定方在都城长安举行了隆重的昭陵、太庙献俘礼仪。唐高宗来到殿前，定方身穿军服押着贺鲁献上。西突厥灭亡后，大唐划分那里的土地为州县，一直到达西海（今咸海东经60°北纬45°）。苏定方因功升迁为左骁卫大将军，封邢国公，另封其儿子苏庆节为武邑县公。
显庆三年（658年）五月二日，安西都护府又迁至龟兹，升格为安西大都护府。“西域既平，遣使分往康国及吐火罗国，访其风俗物产及古今废置，尽图以进，因令史官撰西域图志六十卷”。原臣服于西突厥的中亚诸国纷纷降附，整个西域置于唐朝的掌控之下。唐依两厢分治的策略，在西突厥故地分别设置濛池都护府和昆陵都护府。并将西突厥“其所役属诸国皆置州府，西尽波斯”（今伊朗）。
显庆四年（659年）九月，“诏以石、米、史、大安、小安、曹、拔汗那、北拔汗那、悒怛、疏勒、朱驹半等国置州县府一百二十七”，并隶属于安西大都护府。
中亚河中地区府、州分布：康国置康居都督府（今乌兹别克斯坦撒马尔罕）、石国瞰羯城置大宛都督府（今乌兹别克斯坦塔什干）、米国钵息德城置南谧州（今乌兹别克斯坦朱马巴札尔）、史国乞史城置佉沙州（今乌兹别克斯坦沙赫里夏勃兹）、安国阿滥谧城置安息州（今乌兹别克斯坦布哈拉）、东安国（小安）喝汗城置木鹿州（今乌兹别克斯坦布哈拉东北）、拔汗那国渴塞城置休循州（今乌兹别克斯坦塔什干东南）、何国置贵霜州（今乌兹别克斯坦撒马尔罕西北）
苏定方对西突厥实行分化和重点打击相结合的方略，攻守兼施，出其不意，穷追猛打，终获大胜，大唐帝国的势力也因此延伸至中亚。其踏雪夜追沙钵罗一幕堪称唐代著名边塞诗《塞下曲》的真实写照：“月黑雁飞高，单于夜遁逃。欲将轻骑逐，大雪满弓刀”。
平定葱岭
显庆四年（659年）冬，葱岭（今帕米尔高原）以西的思结阙俟斤都曼原先统制众胡，率其所部和疏勒（今新疆西南部喀什一带）、朱俱波（今新疆西南部叶城一带）、喝般陀（又称葱岭国，今新疆西南部塔什库尔干一带）三个国家再度反叛，攻破于阗（今新疆和田一带）。唐高宗诏令苏定方为安抚大使，再度西征。大军经过长途跋涉抵达叶叶水（今乌兹别克斯坦和塔吉克斯坦境内的锡尔河），而敌军在马头川筑营据守。
苏定方便挑选一万名精锐步兵、三千名骑兵飞驰突袭，一天一夜强行军三百里，天明时到达城西十里远。都曼大惊，率军在城门外抵抗，仓促应战，被打得惨败，逃到马保城。苏定方又挥师速攻，唐军进逼城门之下。到了夜间，后续部队陆续赶到，把城池四面包围起来，并伐木制造攻城器械，遍布城下。都曼无计可施，于是把自己捆绑起来，出城投降。
显庆五年（660年）春，大军押着俘虏回到东都洛阳，唐高宗亲临乾阳殿，有关官员请依法论处。苏定方叩头请求说：“臣先前已经晓谕陛下旨意，答应免他死罪，希望饶其性命。”唐高宗说：“朕为卿保全信义。”便赦免了都曼。自此葱岭以西全部平定。苏定方因功加赐在邢州巨鹿收纳五百户租税的实封，迁任左武卫大将军。
龙朔元年（661年）六月十七日，吐火罗道置州县使王名远进西域图记，唐朝对原属西突厥势力范围内的葱岭（今帕米尔高原）以西诸国再次进行大规模建制行政区划。“自于阗以西，波斯以东，凡十六国，以其王都为都督府，以其属部为州县。凡州八十八，县百一十，军、府百二十六”，均隶属安西大都护府。“仍立碑于吐火罗以志之”（按：《通鉴》记州七十六，《旧唐书.地理志》与《唐会要》记州八十）。至此大唐帝国统辖的西部疆域臻于极致，为中华历代之最。
十六国都督府分布：吐火罗国阿缓城置月氏都督府（今阿富汗东北部昆都士）、厌哒国活路城置大汗都督府（今阿富汗马札里沙里夫西）、诃达罗支国伏宝瑟颠城置条支都督府（今阿富汗加兹尼）、解苏国数瞒城置天马都督府（今塔吉克斯坦境内）、骨咄施国沃沙城置高附都督府（今塔吉克斯坦境内）、罽宾国遏纥城置修鲜都督府（今阿富汗喀布尔河北）、帆延国罗烂城置写凤都督府（今阿富汗巴米扬）、石汗那国艳城置悦般州都督府（今阿富汗兴都库什山北）、护时犍国遏蜜城置奇沙州都督府（今阿富汗北境希巴尔干南）、怛没国怛没城置姑墨州都督府（今乌兹别克斯坦捷尔梅兹西北）、乌拉喝国摩竭城置旅獒州都督府（今阿富汗北境）、多勒建国低宝那城置昆墟州都督府（今阿富汗穆尔加布河流域）、俱蜜国褚瑟城置至拔州都督府（今中亚苏尔哈布河流域）、护密多国摸逵城置鸟飞州都督府（今阿富汗东北伊什卡什姆）、久越得犍国步师城置王庭州都督府（今塔吉克斯坦卡菲尔尼甘河下游库巴的安），同时在波斯国末代王子卑路斯驻地疾陵城置波斯都督府（今伊朗扎博勒）。（按：此时萨珊王朝已被大食所灭）
讨伐百济
百济恃仗高句丽支持，多次侵犯新罗，新罗王金春秋上表求救。
显庆五年（660年）二月十日，苏定方随唐高宗巡幸太原，三月十日，被任命为神丘道行军大总管（韩国《大唐平百济国碑铭》记“使持节神丘嵎夷马韩熊津等一十四道大总管”），率左骁卫将军刘伯英等水陆大军十万人征讨百济国。又以新罗国王金春秋为嵎夷道行军总管，率领新罗兵协同唐朝大军作战。
唐军从城山（今山东省荣成市东部海边）乘船横渡黄海，直抵熊津江口（今朝鲜半岛南部锦江口）。百济军沿江屯兵据守，苏定方从东岸出兵，依山摆开阵势，与百济军交战，唐朝海军扬帆前行，覆盖了整个海洋，相继到达。百济军战败，死了几千人，余众奔逃溃散。唐军大部队乘潮而上，兵力更盛。战船首尾相连而前，驶入江中，飞桨击水，擂鼓呐喊，苏定方率步、骑兵夹江并进，直逼真都城。
距城约二十里，百济举倾国之兵来战，苏定方迎击，一场大战，打败了百济军，斩杀一万余人，唐军乘胜攻入外城。百济国王扶余义慈及太子扶余隆向北境逃去，苏定方进军包围百济都城泗沘城（今韩国忠清南道扶余郡），义慈次子扶余泰自立为百济王，率众坚守。义慈的孙子扶余文思说：“国王和太子虽然都出了城，但依然活着；叔父统领兵马，就擅自称王，如果唐军撤退，我父子性命就无法保全了。”于是文思率其左右从城上缘索而下，很多人追随他，泰无法阻止。苏定方趁势命士卒登上城楼，树起唐朝旗帜。城中人心惶恐，扶余泰处境窘迫，于是打开城门伏地投降请求保全性命。其大将祢植又带着义慈来降，太子隆与众城主皆前来奉表归诚。
百济平定后，其国被分为五部，唐朝“以其地置熊津、马韩、东明、金连、德安五都督府，并置带方州”。五都督府下辖三十七州，二百五十县纳入唐朝版图。左骁卫郎将刘仁愿受命率领万名唐军并联合新罗王子金仁泰所率的七千新罗军，共同守卫百济府城（按：刘仁愿后来继任熊津都督，与检校带方州刺史刘仁轨留守百济）。
显庆五年（660年）十一月一日，百济国第三十一代国王扶余义慈及太子隆、泰等五十八人被苏定方献俘于东都洛阳则天门。至此苏定方前后消灭三个国家，都活捉了他们的国王，赏赐的珍宝无法统计，唐廷“赐天下大酺三日”，并加授其子苏庆节为尚辇奉御。
大唐攻灭百济，是中国古代战争史上罕见的跨海两栖作战，规模空前，体现了唐朝初年强大的水军建设和先进的航海造船技术。高句丽失去盟国，从此陷入孤立境地，而唐朝却以百济故土为战略据点，对高句丽形成南北夹攻之势，为后来高句丽的最终灭亡打下坚实基础。
攻高句丽
早在贞观十九年（645年），李世民率李勣、李道宗等多位将领亲征高句丽，但围攻安市城（今辽宁海城一带）至九月仍未攻克，随着冬天临近，草枯水冻，大军难以久留，没有达到灭高句丽的最终目的。苏定方回国献俘后不久，唐高宗开始策划第二次征伐大战。…
