自从感业寺回来后，正当袁天纲准备找机会去面圣，将武媚娘在感业寺的艰难生活状况告之他时，结果被一场突如其来的叛乱打乱了。
这两年，左骁卫将军、泥伏沙钵罗可汗、瑶池都督阿史那贺鲁，趁着西突厥乙毗沙钵罗叶护可汗（薄利特勤）与真珠可敦的先后离世，在西域招降纳叛、将一些逃散的西突厥部落召集起来，手中的人马逐渐多起来，拥兵几十万，封其长子咥运为莫贺咄叶护，气焰开始嚣张起来。当他听说唐太宗驾崩，趁着目前大唐主少国疑的机会，他派兵袭击大唐帝国安西都护府的西州与庭州，攻陷金岭城及蒲类县，杀死掳掠几千人。庭州刺史骆弘义急忙三百里加急上表禀报。
新皇李治刚登基，担心国内政局不稳，就采取招抚政策，派遣通事舍人桥宝明飞驰前往焉耆城安抚阿史那贺鲁。桥宝明劝说阿史那贺鲁退兵，让他送咥运入朝做宿卫官，并授给右骁卫中郎将，但阿史那贺鲁予以拒绝。
李治看招抚政策失败，就只好采取进剿政策，他下诏命：
“郕国公、左骁卫大将军契苾何力为葱岭道行军大总管，袁天纲、苏定方为行军副总管，征发秦州、成州、岐州、雍州各府兵力三万人及回纥五万骑兵讨伐阿史那贺鲁。”
永徽二年（651年）五月初，契苾何力、袁天纲率军到达西域后，与西突厥阿史那贺鲁军队进行了大战，四战四捷。
一战一捷：五月初五，契苾何力、袁天纲率军到达牢山（今新疆阿拉沟），把阿史那贺鲁派来的处月部首领朱邪孤注打得大败。朱邪孤注连夜逃遁，苏定方率领轻骑兵追击，追了五百多里，生擒朱邪孤注，斩首西突厥士兵九千级。
二战二捷：五月初九，唐军继续攻击西突厥，与西突厥歌逻、处密两部在榆慕谷（今新疆吉木萨尔）交战，大败歌逻部与处密部西突厥军队，斩杀西突厥士兵一千多人。
三战三捷：五月二十日，唐军在咽城（今新疆额尔齐斯河流域）攻击突骑施、处木昆等部,一鼓作气攻下咽城，斩杀西突厥士兵三万人。
四战四捷：六月十二日，唐军兵峰直指焉耆城，刚到达鹰娑川（今新疆焉耆城北小裕勒都斯河）时，阿史那贺鲁率领西突厥军队主力五万骑兵正严阵以待，苏定方主动请缨率领五百名骑兵飞驰前往攻击，西突厥军队大败，阿史那贺鲁一看形势不对，率领败兵就准备脚底抹油溜之乎，苏定方追逐逃奔的突厥败兵达二十里，俘虏了阿史那贺鲁，杀死俘获的突厥士兵有一万五千多人，缴获的马匹和军械器物无计其数。
大败西突厥军队后，契苾何力率领唐军乘势占领焉耆城，然后派军四处攻占西域各城。
十一月初五，契苾何力率领唐军班师回朝，这是李治自登基以来第一次对外作战，而且大获全胜，极大地鼓舞了民心、军心，朝廷上下欢欣雀跃。
李治龙颜大悦，在承天门举行了献俘阿史那贺鲁的仪式，及在太庙举行“待告礼”后，对出征将士进行了封赏：
“加左骁卫大将军、郕国公契苾何力食邑增至2500户；
加封侍中袁天纲为襄国公，赐正一品紫色官服，加封食邑增至1500户；
加封苏定方为云麾将军，赐从三品紫色官服。”
同时，李治赦免了阿史那贺鲁的死罪，把他所管辖的地盘分设了蒙池、昆陵六个都督府，全部隶属于安西都护府，任命麴智湛为安西都护。没多久，阿史那贺鲁就死了，被埋葬在颉利可汗的坟墓旁边。
然后，李治在太极殿举行了盛宴，犒劳出征将士们。次日，李治单独召袁天纲进宫了解这次远征西域详情。
袁天纲详细地汇报这次征途的艰辛，及大败西突厥军队的英雄事迹，李治大为感动，说道：
“姨父，朕刚登基，就要辛苦你远征西域。”
“为陛下分忧，是臣的职责所在。”袁天纲豪迈地回答道。
“先帝突然撒手而去，朕仓促即位以承大统，成天见到堆积如山的奏章，头都大啊！多亏姨父您鼎力相助。”李治无奈地叹息道。
袁天纲见李治一脸的愁容，就安慰道：