后来，吐蕃君臣果然相互猜忌。699年（圣历二年），吐蕃内乱，论钦陵被诛杀，其弟赞婆率部降唐。武则天闻讯后，命郭元振与河源军大使夫蒙令卿率骑兵前往迎接。
治理凉州
700年（久视元年），吐蕃大将麹莽布支入寇凉州，被凉州都督唐休璟击退。郭元振也因参与军机，被封为主客郎中。
701年（长安元年），郭元振升任凉州都督、陇右诸军州大使。当时，凉州南北不过四百多里，突厥、吐蕃常来侵扰，凉州军民深以为苦。郭元振到任后，在南部边境的硖口修筑和戎城（今甘肃古浪），在北部边境的沙漠中设置白亭军（今甘肃民勤东北），控制了凉州的交通要道，将凉州边境拓展了一千五百里。从此，突厥、吐蕃的兵马再也无法到州城侵扰。
郭元振又让甘州刺史李汉通实行屯田政策，充分利用当地的河流土地从事农业生产。此前，凉州地区的谷子每斛高达数千钱，而屯田后，一匹细绢就可以换到数十斛粮，积存的军粮可供数十年之用。
郭元振擅长安抚、统治百姓，在凉州任职的五年中，深受当地各族百姓敬仰，并且法令严正，军纪严明，使得治下牛羊遍野，路不拾遗。
都护安西
706年（神龙二年），郭元振改任左骁卫将军、检校安西大都护。后来，突骑施首领乌质勒部落强盛，表示愿意与唐朝通和，郭元振便到突骑施牙帐商议军事事宜。当时，天降大雪，郭元振立于帐外，与乌质勒会谈。大雪愈积愈厚，郭元振足不移地，而乌质勒因年老体弱，不耐严寒，会谈结束后竟被冻死。乌质勒的儿子娑葛认为是郭元振设计害死父亲，打算率兵袭击唐军。副使御史中丞解琬闻讯，劝郭元振连夜逃走。郭元振道：“我以诚心对待他们，又有什么可以怀疑和害怕的呢！再说我们都在他们的势力范围之内，就算是想逃走，又能逃到哪里去呢？”
次日，郭元振身穿素服前往吊唁，半路上遇到娑葛的士兵。敌军没料到郭元振会来，也不敢轻举妄动，忙说是来迎接他的。郭元振走进帐中，吊唁赠礼，哭得非常悲伤，并留下帮助料理丧事。娑葛被郭元振的诚意打动，向唐朝派去使者，进献良马五千、骆驼二百、牛羊十余万。不久，朝廷任命郭元振为金山道行军大总管。
