唐武德五年六月，吐谷浑发兵侵扰唐边，唐岷州总管李长卿将其击败。此后，吐谷浑军多次袭扰唐西北边境，败多胜少。武德九年八月，吐谷浑遣使通好言和。
唐太宗李世民即位后，伏允遣使朝贺，但使者尚未返回，吐谷浑军即于贞观二年正月侵扰岷州(治溢乐，今甘肃岷县)。
贞观六年三月，吐谷浑寇兰州，州兵击走之。
贞观八年初，吐谷浑可汗伏允遣使到长安入贡，还未返回，即遣兵大掠鄯州而去。李世民派遣使者召伏允入朝，仅允称疾不至，仍为其子尊王求婚；李世民允，令其亲迎，尊王又不至，乃绝婚。
伏允年老，信其臣天柱王之谋，数次犯边；又扣住唐使者赵德楷，李世民遣使谕之，十次才放还；又引吐谷浑使者，临轩亲谕以祸福，伏允终无悛心。
贞观八年五月，伏允遣兵寇扰兰、廓(治化隆，今青海化隆西南)二州，李世民遣左骁卫大将军段志玄率边兵及契菇、党项之众进攻吐谷浑。七月，唐军大败吐谷浑，乘胜追击800余里，在距青海湖30里地时，段志玄迟疑不敢进，吐谷浑人乘机驱赶青海牧马仓皇而逃。
段志玄班师后，吐谷浑尾随而至，十一月寇扰凉州(治姑臧，今甘肃武威)。唐太宗大为震怒，乃起用已致仕的右仆射李靖为西海道行军大总管，统帅兵部尚书、积石道行军总管侯君集、刑部尚书任城王、鄯善道行军总管李道宗、凉州都督、且末道行军总管李大亮、岷州都督、赤水道行军总管李道彦、利州刺史盐泽道行军总管高甑生和归唐的突厥执失思力及契苾何力等军进击吐谷浑。
贞观九年闰四月初八，李道宗在库山(今青海湖东南)击败吐谷浑军。伏允烧尽野草，轻兵入碛。唐军诸将认为，马无粮草，已很疲弱，不可轻易深入。唯独侯君集主张吸取段志玄的教训，应乘其初败，人心离散之机，穷迫不舍，一举将其击灭。李靖采纳其意见，分兵两路追击，亲率李大亮、薛万均等部由北路至伏俟城；侯君集、李道宗等部由南路追截南逃的吐谷浑军。
二十三日，李靖部将薛孤儿在曼头山(今青海共和西南一带)大败吐谷浑军，斩其首领，俘获大批牲畜。二十八日，李靖率军在牛心堆(今青海西宁西南)击败吐谷浑军，接着又在赤水源(今青海兴海东南)再次获胜，共俘斩名王数十人。薛万均兄弟突军冒进，遭吐谷浑军队的埋伏，在左领军将军契苾何力的救援下突出重围，与何力率领的军队会合向北突击，击溃天柱王的军队。
南路唐军在沓无人烟地区行军2000余里，途经无水无草的破罗真谷(在今青海都兰东南一带)时，只能“人龀冰、马瞰雪”，于五月间在乌海(今青海苦海)追上伏允，大破其众，俘其名王骁将。伏允向西败走，准备渡突伦川(又称图伦碛，今新疆塔克拉玛干沙漠)，投奔于阗。李靖督诸军，经积石山(今青海阿尼玛卿山)河源(黄河源)迫至且末(今属新疆)。李靖部将契苾何力闻伏允逃至突伦川，遂率骁骑干余追击，因沙漠无水，将士皆剌马饮血，终于追上伏允，袭击其牙帐，歼数干人，缴获甚众，伏允侥幸脱逃，后在走投无路的绝境中自缢身亡。侯君集率部进逾星宿川(即今青海黄河上源星宿海)，至柏海(今青海鄂陵湖和扎陵湖)与李靖军合师。伏允之子大宁王慕容顺斩天柱王，率部归唐，被封为可汗、西平郡王，吐谷浑成为唐朝属国。
唐击吐谷浑之战的路线，无论是两唐书还是《资治通鉴，及《册府元龟，诸书记载都不一样，很多还是自相矛盾的本书所写的出征年份，及行军路线，都是与历史记载的有些差异