唐军如同神兵天降般翻越积石山的消息，如同惊雷炸响在吐谷浑王庭伏俟城。年迈的伏允可汗惊惶失措，他万万没想到唐军竟能在如此短的时间内，克服那令人绝望的高原天险！仓促之下，他急令各部集结，命骁将慕容孝隽率领主力，在赤海（青海湖）西南的库山（今青海共和县附近）一带布防，企图凭借有利地形阻挡唐军兵锋。
侯君集岂会给他从容布阵的机会？唐军以归顺的突厥、铁勒轻骑为先锋，利用其机动性，如同旋风般扫荡沿途吐谷浑部落，切断其通讯，制造恐慌。主力则日夜兼程，直扑库山。
库山脚下，两军对垒。吐谷浑军依山结营，占据高处，试图以逸待劳。慕容孝隽看着山下军容严整、杀气腾腾的唐军，心中也暗自凛然。
“李道宗！”侯君集沉声下令。
“末将在！”
“命你率一万精骑，多备弓弩，绕行至库山侧后，占据高处！待我中军与敌接战，你便居高临下，箭雨覆盖其营，制造混乱！”
“末将领命！”
“执失思力、契苾何力！”
“末将在！”
“命你二人各率本部精骑，待李道宗箭雨发动，敌军混乱之际，从左右两翼，给我狠狠凿穿敌阵！直取其中军帅旗！”
“得令！”
“其余诸军，随本帅坐镇中军，强弓硬弩准备！待敌阵动摇，全军压上！”
战斗在午后打响。侯君集中军以密集的改良强弩（得益于工部标准化生产，弩箭威力射程皆有提升）进行远程压制，箭雨如飞蝗般射向吐谷浑营寨，造成不小伤亡。慕容孝隽亦命部下放箭还击，双方箭矢在空中交织。
就在吐谷浑军注意力被中军吸引时，库山侧后突然杀声震天！李道宗的骑兵如同猛虎下山，占据了制高点，密集的箭雨如同泼水般倾泻而下，瞬间将吐谷浑后营笼罩！营帐被点燃，士兵惨叫着四散奔逃，阵脚大乱！
“时机已到！杀——！”侯君集令旗猛挥！
“呜——呜——！”进攻的号角凄厉长鸣！
左右两翼，执失思力和契苾何力率领的突厥、铁勒精骑，如同两把烧红的尖刀，爆发出惊天动地的战吼，狠狠捅入陷入混乱的吐谷浑军两肋！这些归顺的胡骑，为了在新主子面前证明自己，作战格外勇猛凶悍！
吐谷浑军本就被突如其来的箭雨打懵，再遭两翼精锐骑兵的猛烈冲击，瞬间崩溃！慕容孝隽试图组织抵抗，却被契苾何力盯上，一场恶斗，被斩于马下！帅旗一倒，吐谷浑军彻底失去斗志，哭爹喊娘，漫山遍野地溃逃。唐军步骑协同，如同砍瓜切菜般收割着败兵。
库山一战，吐谷浑主力尽丧！侯君集不给伏允丝毫喘息之机，马不停蹄，挥师直捣其王庭伏俟城！
伏允闻听库山大败、慕容孝隽战死的噩耗，肝胆俱裂，哪里还敢守城？他抛弃了象征王权的金帐和堆积如山的财宝，裹挟着部分亲信部众，仓皇向西逃窜，妄图穿过柴达木盆地，投奔远在西域的高昌或于阗。
侯君集兵不血刃进入伏俟城，安抚降众，缴获无数。随即，他分遣精骑，由熟悉地形的将领率领，多路追击伏允残部。逃亡路上，众叛亲离，年迈的伏允惊惧交加，最终病死于荒漠之中。其子，一直在长安为质的慕容顺（被李世民赐姓李，名李顺），在唐军的扶持和部分吐谷浑贵族的拥戴下，宣布归顺大唐，被册封为西平郡王、吐谷浑可汗。曾经嚣张一时的吐谷浑汗国，在唐军的雷霆打击下，仅仅数月便宣告灭亡，青海之地，尽归大唐版图！