在车师前王的尊迎下，汉军先入驻交河城（今吐鲁番），稍作休整后，关羽于同月又进军焉耆南河城（今库尔勒）。此时因为天气转凉，汉军进军的速度变快，二十日内，他们在陌生的沙山绿洲间行军千里，但焉耆的使者告诉他们说，这里距离龟兹国都它乾城（今库车）仍有六百里之遥。汉军这才发现，西域的广大远超他们的想象。
但他们并不因此而抱怨，毕竟沿路而来时，他们看到夏日里积雪皑皑的白山，见过平坦黄沙中泛着七彩光晕的盐泽，更品过了国中只有达官贵人才能饮用的葡萄美酒，这让他们自觉如有先烈卷顾一般，胆气倍增。
八月，龟兹王白帛欢得见汉军远来，遂以重金贿赂疏勒、大宛、康居等国，又强征属国十二，合众十八万人进驻延城，试图将汉军阻挡在国境边疆。关羽则率众进驻乌垒，双方遂在轮台国故地进行对峙，屡派营曲试探。
这一月间，双方虽无大战，但千人以内的战斗多达十数次，竟互有胜负。由于西域盛产铜铁的缘故，西域联军披甲率颇高，毫不逊色于汉军，加上其多年处在鲜卑、贵霜与大汉的辐射下，大部分士卒也弓马娴熟，颇为难缠，朱皓还见过以革索为绳套策马掷人，十有五中，而后将汉卒倒拖回阵，乱枪刺死。
有傅介子、班超凿穿西域的事迹在前，原本众人对取胜颇有信心，但这一番交战下来，诸将反而日渐惴惴，生出几分恐惧了。拓跋匹孤向关羽提议说：“贼军地小而兵众，粮草必不能久持，不如我等各自结营守阵，等胡人来攻罢！”但皇甫坚寿却极为反对，说道：“我等劳师千里而来，粮秣就足用吗？也还得速战速决。”一时间，军中议论纷纷，意见难以统一。
不意这时主帅关羽抚须说道：“我军战则必胜，如何不战？”这让汉将们大吃一惊。在进驻乌垒之初，就有人向关羽进言，主张立即与诸国联军决战，但为关羽拒绝了。众人都以为他是守成持重，却不料在此时说出激进言语。
关羽见诸将未解，便解释道：“这一月小众斗殴，互有胜负，只可见西域兵卒强劲，但战时多只见一国旗帜，不见多师并进，可见这西国诸师并不齐心，至多也不过是初平元年的讨董联军罢了。我军改制之后，上下一体，与这等乌合之众合战，怎会失败？”
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众人这才醒悟，但也有人心生疑虑，问道：“那为何君侯不早合战，还在此地消磨时日呢？”
关羽笑答道：“西域广大，我等又是远征之师，必须一战令诸国丧胆，方能宾服外夷。我先示敌以弱，再摧枯拉朽，这是叫各国心生恐惧，十年不敢言乱啊！”说到此处，他豪气顿生，把剑示众说：“此乃不世之功，愿诸位同于我留名！”众将无不热血上涌，慨然应诺。
于是在九月癸未，汉军遣使联军之中，约战于次日。联军经过一月的鏖战，自以为合战必胜，于是欣然应允。双方于轮台展开列阵，联军行列多如瀚海，达汉军四倍有余，更是助长了各国士气。然而战事一开始，形势就向着关羽预测的方向演变。
双方击鼓进军后，汉军置联军南北两翼于不顾，以精骑陷阵，轻骑牵扯，直冲龟兹国中军，一战而阵斩龟兹国主帅赤若奋，龟兹王父子弃阵而逃，继而导致联军阵线大溃，汉军趁势再战，斩首逼降四万余众，各国纷纷溃逃，再无任何抵抗之意。
到十月，关羽攻破延城，进军至它乾城下，龟兹国王白帛桓出城自缚请降，龟兹国正式平定。龟兹既灭，除乌孙外的其余西域各国也纷纷遣质纳服，汉军由此得骆驼两万头，西域马万匹，精甲万件，金银奇珍更是多达三千余车，根据虞翻清点，这些财赀堪比国家当前的三年赋税。
至此，汉军成功完成了征西战事，关羽在率军回师时，再次路过轮台战场，便请钟繇在此地题字，钟繇欣然应允，在一片巨石上挥毫写下一首《从军行》，诗文如下：
“西边烽乱惊，十万且横行。
风卷常山阵，笳喧细柳营。
剑花寒不落，弓月晓逾明。
竟取流沙地，持作玉满城。”
写完后，关羽极为满意，当即令石匠对此刻印勒石，写下随军各将姓名及年月日，并在最后刻下四字：“永彰我武”。而后传书张绣，建议他在此处筑城，城名就叫做玉满城。
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