石堡城的地势极为险要，只有一条山路通往城中，雄伟坚固，易守难攻，一向为吐蕃军的前沿阵地。吐蕃动用全国的力量防御石堡城。唐军多次试图夺回石堡城，都未能奏效，这次，唐玄宗势在必得，将朔方、河东等地十万多士兵统归哥舒翰指挥，以倾国之力，奔袭石堡城。

　　天宝八载（749年）六月，一场攻坚战打响了，唐军加上突厥阿布思部共有兵力六万三千人。但是，吐蕃人据险而守，他们贮藏了足够的檑木和滚石，牢牢封锁了通往城中的唯一山道。唐军猛攻数日，仍然不能得手。哥舒翰焦急万分，他要杀一儆百，拿攻城先锋官高秀岩、张守瑜开刀。高秀岩、张守瑜恳求宽限三日，如果到期不克，甘心伏罪。唐军不惜一切代价，发起一轮又一轮的冲锋，死伤数万人之后，终于如期攻下了石堡城。一将功成万骨枯，一切都正如王忠嗣的预料。此战吐蕃方面有四百人被俘，其中包括大将铁刃悉诺罗。但是这根据史料记载的吐蕃对石堡城是“举国守之”，被俘人员远不是石堡城之战吐蕃军的总数，被唐军杀死的吐蕃军远多于被俘者。唐军攻占石堡城。唐玄宗十分高兴，哥舒翰因军功拜特进、鸿胪员外卿，给予一个儿子五品官，赐物千匹，赐庄园一座，加摄御史大夫。

　　天宝十一载（752年），又加封开府仪同三司。天宝十二载（753年），哥舒翰再次击败吐蕃，攻占洪济、大漠门等城，占据九曲之地。

　　唐军在河西、陇右的战场上占据了绝对的优势。到了天宝十三年（754年），唐朝与吐蕃的分界线已经推进到青海湖以西。“是时中国盛强，自安远门西尽唐境凡万二千里，闾阎相望，桑麻翳野，天下称富庶者无如陇右”，哥舒翰每次入朝，总是骑着白骆驼，一天就能行走五百里。

　　天宝十三载（754年）七月，哥舒翰在新收复的九曲设置了洮阳（今甘肃临潭西南）、浇河（今青海贵德境）二郡，成立了宛秀、神策二军，神策军后来在唐代宗逃难时护驾有功，入京成为中央政府直接控制的禁军，唐德宗、唐宪宗时常以此军讨伐藩镇，长安西面和北面防御吐蕃的部分任务也由神策军来承担，宿卫和征战，神策军充当了顶梁柱的作用。