背景贞观九年（634年），又到了各族朝贡唐朝的日子，万民来贺，却独独少了吐谷浑的使者，唐太宗很是诧异，于是派人前去询问，这才得知吐谷浑王慕容伏允拒绝朝贡，甚至出兵攻击兰州，唐太宗派人前去质问，吐谷浑王慕容伏允不予理睬，将使者扣下，唐太宗大怒，打算派兵讨伐，然而对于主将的人选却犹豫了下来。

李世民有心想用李靖为主将，但是考虑到他的年龄已经是63岁的高龄了，而远征吐谷浑，一路上风尘露宿，担心他的身体撑不住，想用其他人为主将，所以主将的人选迟迟不能决定。后来，李靖听说后，去找唐太宗，请求任命他为主将去讨伐吐谷浑王慕容伏允，唐太宗大喜，这年十二月，即任命李靖为西海道行军大总管，又分别任命兵部尚书侯君集、刑部尚书李道宗、凉州都督李大亮、右卫将军李道彦、利州刺史高甑生等五人为各道行军总管，统由李靖指挥，于是一场大规模的反击吐谷浑的战争序幕拉开了。

李靖奉命赴任之时，正值寒冬腊月季节。他一路踏着冰雪，风餐露宿，备尝艰辛。翌年闰四月，唐军在库山（在今青海天峻）与吐谷浑交战，李道宗部大败吐谷浑，唐军首战告捷。狡猾的吐谷浑王慕容伏允一面向西败退，一面把令人把沿途的野草全部烧光，让唐军的战马没有草料可以吃。很多大将都认为在没有军马草料的情况下，长途远征是很危险的，希望能够等到初春野草长出来的时候再远征吐谷浑。

然而，兵部尚书侯君集却不同意撤军，他认为吐谷浑已经是强弩之末，如果不乘胜追击，会给吐谷浑喘息的机会，不如一鼓作气灭掉它。李靖听了之后完全赞同，决定不给敌人喘息的机会，于是兵分两路：李靖与薛万均、李大亮等从北道，侯君集、李道宗从南道，两路大军一齐进发。

李靖率领的主力军先后于牛心堆、赤水源两次大败吐谷浑军。侯君集、李道宗所率南路军进展也很迅速，他们深入荒漠二千余里。唐军克服了种种困难，长途奔袭，到了五月，终于在乌海（今青海兴海）追上了伏允可汗，又大败其军，俘获了其名王。薛万均等于赤海也打败了吐谷浑的天柱王军。李靖都督各军继续进击，又连战告捷。

伏允可汗率一千多骑兵逃到碛中，已到了山穷水尽的地步，部下纷纷离散。不久，伏允可汗为部下所杀。其长子大宁王慕容顺杀死天柱王，率众降唐。李靖率军经过了两个月的浴血奋战，攻灭了吐谷浑，并向京师告捷。

此役为唐军在西北各部族树立了威信，也向西扩大了唐朝疆域的实际控制范围。而这次战役是大唐军神李靖指挥的最后一战，后因人诬陷他有谋反的嫌疑，于是，李靖就阖门自守，杜绝宾客，除了亲友不再见外人。

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