708年（景龙二年），娑葛与阿史那阙啜忠节不和，多次发生冲突。阙啜忠节由于兵少将微，逐渐不敌。郭元振遂奏请将阙啜忠节召入京师宿卫，将其部落迁徙到瓜州（今甘肃安西东南锁阳城）、沙州（今甘肃敦煌西）一带。阙啜忠节率部东撤，在播仙城（今新疆且末西南）与唐朝西域经略使、右威卫将军周以悌相遇。周以悌劝他不要入朝，贿赂宰相宗楚客、纪处讷，联合安西军与吐蕃军共击娑葛，并求册阿史那献为可汗以招抚突厥十姓人马，这样既能报娑葛相欺之仇，又可以保住对部落的控制，胜于入朝受制于人。阙啜忠节深以为然，便率军攻陷阗坎城，并遣使厚贿宗楚客、纪处讷。
郭元振听到这个消息后，当即上疏，极力劝阻，并认真分析了当前的形势，指出如果将吐蕃引入西域，会引发安西四镇的危机，同时认为阙啜忠节所求立的阿史那献同阿史那元庆、阿史那斛瑟罗一样，都无过人之才。但是，朝廷没有接受他的建议。
不久，朝廷派御史中丞冯嘉宾持节安抚阙啜忠节，侍御史吕守素处理四镇事务，任命牛师奖为安西副都护，统领甘州、凉州兵马，联合吐蕃一起进击娑葛。娑葛的使者娑腊此时正在长安，闻讯后立即赶回，通报娑葛。娑葛大怒，发动四路兵马，分别攻打安西、拨换（今新疆阿克苏）、焉耆、疏勒。
由于娑葛兵势甚盛，郭元振屯兵疏勒，设栅于疏勒赤河（今克孜勒河）河口，不敢出击。娑葛趁阙啜忠节迎接冯嘉宾时，派兵偷袭，生擒阙啜忠节，杀死冯嘉宾。不久，吕守素、牛师奖先后遇害。娑葛乘胜攻陷安西，断绝四镇之路。
宗楚客又奏请以周以悌为安西大都护，征召郭元振入朝，并册封阿史那献为西突厥十姓可汗，派军进驻焉耆，讨伐娑葛。娑葛写信给郭元振道：“我与汉人本来没有矛盾，只是与阙啜忠节有仇。但是宗尚书接受阙啜忠节的贿赂，毫无道理地想发兵攻破我的部落，并且冯中丞和牛都护相继率军而来，我又岂能坐以待毙！我听说阿史那献也将来到此地，他的到来只会使安西四镇冲突增多，恐怕今后难以有安宁的日子好过。请您看着怎么解决吧。”
郭元振便将娑葛的信呈给唐中宗。宗楚客大怒，奏称郭元振有不臣之心，征他入朝，准备治罪。郭元振派儿子郭鸿走小路将实际情况向唐中宗一一奏明，请求留在西域稳定局势，不敢返回朝中。不久，周以悌被流放白州（今广西博白），唐中宗再次任命郭元振为安西大都护，下诏赦免娑葛的罪行，并册立为十四姓可汗。
担任宰相
710年（景云元年），宗楚客等人在政变中被杀，唐睿宗继位，郭元振被征拜为太仆卿，加银青光禄大夫。郭元振离任时，安西各部落的酋长有的甚至划破脸面、痛哭相送。刚刚行到玉门关，离凉州还有八百里时，凉州百姓就已经准备好壶浆欢迎。
711年（景云二年），郭元振被任命为同中书门下三品，接替宋璟出任吏部尚书。不久，郭元振又改任兵部尚书，封馆陶县男。同年冬，郭元振与韦安石、张说被罢去相位。
712年（先天元年），唐睿宗退位，唐玄宗继位，郭元振出任朔方军大总管，修筑丰安（今宁夏中卫西）、定远城（今宁夏平罗南），使戍守军队得以有屯驻之所。713年（开元元年），郭元振以兵部尚书之职再次担任同中书门下三品。
同年七月，唐玄宗诛杀太平公主，郭元振亲自率兵保护唐睿宗，在中书省宿卫十四夜，因功进封代国公。不久，郭元振兼任御史大夫，出为朔方大总管，防备突厥。
去世
十月，唐玄宗在骊山举行军演，并亲自擂鼓。郭元振突然出班奏事，打乱了军演。唐玄宗见军容不整，非常生气，命人将郭元振立即斩首。刘幽求、张说劝谏道：“郭元振立过大功，即便犯了重罪，也应当予以宽恕。”唐玄宗便赦免了郭元振的死罪，将他流放到新州（今广东新兴）。
不久，唐玄宗念及郭元振昔日功劳，起复他为饶州（今江西鄱阳）司马。郭元振遭此挫折，心情抑郁，在赴任途中病逝，终年五十八岁。
722年（开元十年），郭元振被追赠为太子少保。
人物评价
郭元振守边多年，无显赫武功，以建设、安抚见长，故能“克致隆平”，“安远定边”。他“武纬文经”，以诚信对待边疆少数民族，因而深得他们的爱戴，能化干戈为玉帛，不战而屈突厥、吐蕃之兵，这就是所谓的“善战者之胜也，无智名，无勇功”了。此等边将，对于保持边疆稳定、维护国家统一，具有重要作用。
