多受过裴行俭的恩惠，听了这话，都纷纷表示愿意帮忙。契苾明第一个站出来说：“裴大人，我愿意带我的部落士兵跟着你，去碎叶城擒获阿史那都支！”其他首领也跟着附和，有的派五百人，有的派一千人，很快就凑了一支一万多人的联军，其中既有唐军，也有回纥、契苾、处月等部落的士兵。
裴行俭把联军分成两队：一队由契苾明率领，去怛罗斯城牵制李遮匐，防止他派兵支援阿史那都支；另一队由他自己率领，直接去碎叶城擒获阿史那都支。出发前，他派人给阿史那都支送去一封信，信中说：“我这次来西域，是为了安抚诸国，顺便给你带来了唐朝的赏赐。听说你最近要举办大典，我特意赶来祝贺，想和你见面聊聊，共商西域安宁之事。”
阿史那都支收到信后，果然放松了警惕——他知道裴行俭曾护送波斯王子，以为他这次来真的只是安抚诸国，而且他见裴行俭带的人不多，觉得就算有诈，自己也能应付。他回信给裴行俭，说：“欢迎裴大人来碎叶城，我会亲自出城迎接。”
几天后，裴行俭率领军队到达碎叶城外，阿史那都支果然带着几百名随从出城迎接。他骑着马，穿着华丽的可汗服饰，脸上带着笑容，看起来很热情。裴行俭也笑着迎上去，说：“都支可汗，好久不见，你看起来精神不错啊！”
两人寒暄了几句，裴行俭邀请阿史那都支去自己的军营赴宴，说：“我带来了不少中原的好酒和美食，咱们边吃边聊。”阿史那都支没有怀疑，带着随从跟着裴行俭进了军营。
军营里早就摆好了宴席，桌上有烤羊肉、炖牛肉，还有长安产的葡萄酒。裴行俭和阿史那都支相对而坐，一边喝酒，一边聊西域的局势。阿史那都支时不时试探裴行俭，问：“裴大人，唐朝最近有没有派兵来西域的打算啊？”裴行俭笑着说：“都支可汗，你放心，唐朝只想和西域诸国友好相处，怎么会派兵呢？我这次来，就是为了证明唐朝的诚意。”
喝到一半，裴行俭突然举起酒杯，说：“都支可汗，我有份礼物要送给你，你闭上眼睛，我让士兵给你送来。”阿史那都支以为是唐朝的赏赐，笑着闭上了眼睛。就在这时，裴行俭大喊一声：“动手！”帐篷后面立刻冲出几十名唐军士兵，他们都是裴行俭精心挑选的勇士，身手矫健，没等阿史那都支的随从反应过来，就把他们捆了起来。阿史那都支睁开眼睛，看到自己被绑着，才知道上当了，气急败坏地说：“裴行俭，你竟敢骗我！”裴行俭冷冷地说：“都支可汗，你叛乱唐朝，杀害官员，今天就是你的死期！不过陛下有旨，若你愿意归顺，可饶你一命。”阿史那都支看着周围的唐军士兵，知道自己逃不掉了，只好低下头，说：“我愿意归顺。”
擒获阿史那都支后，裴行俭拿着他的印信，派人去碎叶城召集西突厥的部落首领，说：“都支可汗请你们去军营议事，有重要的事情要宣布。”首领们不知道发生了变故，都按时来到军营。当他们看到阿史那都支被绑着时，都慌了。裴行俭对他们说：“各位首领，阿史那都支叛乱唐朝，已经被我擒获。你们都是被迫归附他的，陛下知道你们的苦衷，只要你们重新归顺唐朝，以前的事一概不追究。”首领们听了，都赶紧跪下，说：“我们愿意归顺唐朝，听从裴大人的命令！”
解决了阿史那都支，裴行俭立刻率军前往怛罗斯城。此时契苾明已经率领军队把怛罗斯城包围了，李遮匐得知阿史那都支被擒后，早就慌了，每天都派人去打探消息。当他看到裴行俭的军队到了城下时，知道自己无力抵抗，就打开城门，自己绑着出来投降了。裴行俭见他愿意归顺，也没有为难他，只是把他关了起来，准备带回长安交给唐高宗处置。
就这样，裴行俭平定了西突厥的叛乱，恢复了唐朝对昆陵、蒙池两个都护府的管辖。消息传到长安，唐高宗高兴得不得了，当即下诏褒奖裴行俭，任命他为礼部尚书兼检校右卫大将军，封闻喜县公，还赏赐了他良田千顷、奴婢三百人。
裴行俭回到长安后，日子过得相对平静，他除了处理礼部的事务，还不忘培养人才。《旧唐书》说他“喜宾客，
