尼沙普尔位于一个山谷中的绿洲上，从赫拉特往尼沙普尔的路上依然以荒漠和山地为主，路上的行程颇为不易，经过十余天的行军，唐军抵达尼沙普尔东部山区。
唐军在行军途中遇到一个山谷，谷口附近有些塔希尔军驻守，经过唐军的打击，谷中的守军沿着山谷溃逃，唐军前锋立即展开追击。
唐军前锋将领何国强进入山谷后发现，塔希尔军竟然没有利用山谷两侧的地形设伏，山谷内也没有设置任何障碍，虽然进军比较顺利，但是心中隐隐有些不安，所以有意识的减缓了追击的速度，后面干脆停了下来。
唐军刚停下来，前面已经逃跑的塔希尔军又折回，向唐军**了一番，又继续逃走，何国强更加觉得可疑，坚持在原地等待，不再前进。前面的塔希尔军刚逃走不久，山谷两侧突然传出巨大的**声，落下来大量的石头。
原来，塔希尔军提前在山谷两侧埋设了**，故意引诱唐军来攻，唐军进入山谷后并没有进入山谷深处，但是靠近前方的一些士兵还是被石头砸中，产生了较大的伤亡。
等李愬赶来，发现有三百多唐军被砸死砸伤，心中不免愤怒不已，当即命令后续的部队清理山石，抢救伤员，然后指挥部队通过山谷，发誓要重惩塔希尔军。
唐军出了山谷以后，就看到了尼沙普尔城，尼沙普尔作为塔希尔的首府，城市颇具规模，是一个典型的波斯城市，塔希尔王朝**了约五万多人守卫这个城市。
唐军到达城东后，按照以往模式，派出兵力从南北两个方向包围过去。城内的塔希尔军不甘心被围，派兵从南北两个城门冲出，企图截击两翼的唐军，经过一番激战，出城的塔希尔军被唐军击败退回城内。当晚，塔希尔军再次出城夜袭唐军，又被唐军击败，被迫退回城内。
次日，有一万多前来支援的塔希尔军抵达城西，当即对城西的唐军展开进攻，城内看到城外有援军过来，当即也派出兵力出城接应，三股军队在城西展开了激烈的交战。
唐军虽然战斗力较强，但是在城西的兵力不多，在城内外两股塔希尔军的拼死进攻下，产生一定的伤亡后被迫后撤，城外支援的塔希尔军趁机突入城内。
李愬调集一个襄人团加强到城西一带，继续包围城市，并开始炮击城市。城内的塔希尔军不甘心被动挨打，夜间又派出大股兵力从南门出来夜袭，这里的唐军早有准备，经过激烈的对战，塔希尔军留
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下一堆尸体，被迫撤回。
经过连续几天的战斗，塔希尔军始终处于被动挨打的状态，虽然发起好几轮反击，但是均告失败。随着唐军持续不断的炮击，尼沙普尔城内的伤亡越来越大，塔希尔的统治者阿卜杜拉开始顶不住了，最后不得不下令投降。
唐军完成了对尼沙普尔的占领后，眼见就到了六月底，李愬想着北方的吉利斯汗国还没消灭，不由得心急如焚，就想尽快率军北返。
在离开前，李愬释放了绝大多数的俘虏，扣押了阿卜杜拉等几十个官员和将领，计划随军押到康城。李愬还留下一个契胡团，在一些降臣的配合下组建一个临时政府，暂时治理塔希尔王朝西部。