609年3月，秦仁孝帝西巡陇西黄河以右，出临津关（今甘肃临夏积石关），至西平郡，有意击灭步萨钵可汗率领的吐谷浑残部。4月吐谷浑派使者随同高昌、吐谷浑、伊吾等使入秦请和。5月，秦仁孝帝亲征吐谷浑。他命令刘权率军出伊吾道，追击步萨钵可汗至青海，俘虏千余人，乘胜攻吐谷浑首都伏俟城（在今青海湖西）。秦仁孝帝亲率军追击步萨钵可汗，入长宁谷（今青海西宁南），越星岭（今青海海晏东），至浩川（今大通河），步萨钵可汗退保覆袁川（今青海湖东北一带）。
秦仁孝帝令元寿南屯金山（今托赖山），段文振北屯雪山（今祁连山），杨义臣东屯琵琶峡（在今甘肃张掖西南），张寿西屯泥岭（在今大通河上游），将步萨钵可汗四面包围。步萨钵可汗派人假冒其名，率众退守车我真山（今青海祁连东南一带）以欺骗隋军，本汗则数十骑逃出。
秦仁孝帝命张定和、柳武建追击之，张定和轻敌冒进，被吐谷浑伏兵射杀身亡。柳武建率众奋力反击，大破吐谷浑，吐谷浑仙头王率十余万口归降。6月，秦仁孝帝又派梁默、李琼等追击步萨钵可汗，皆轻敌遭反击被杀。秦军经大斗拔谷，山路隘险，鱼贯而出。当时风霰晦冥，与从官相失，士卒冻死者大半，秦军最后撤退。而步萨钵可汗最后逃奔至党项。
吐谷浑东西四千里，南北二千里故地皆为秦朝所有，范围东起青海湖东岸，西至塔里木盆地，北起库鲁克塔格山脉，南至昆仑山脉。秦仁孝帝设置西海（今青海湖西）、河源（今青海兴海东南）、鄯善（今新疆若羌）、且末（今新疆且末南）四郡，其中西海郡设置在吐谷浑故都伏俟城。秦仁孝帝并且把秦朝所有犯轻罪的人移居到故地开垦，以陇西诸郡粮食供给。
秦仁孝帝扩展西方疆域，畅通秦朝与西域的联系，十分兴盛。609年秦仁孝帝灭吐谷浑后率众到张掖招见西域诸国君。高昌王曲伯雅与伊吾吐屯设等西域二十七国君主与大臣纷纷前来开宴会，呈现秦朝文物，奏乐九部音乐，十分盛大。秦书赞曰：“竟破吐谷浑，拓地数千里，并遣兵戍之。每岁委输巨亿万计，诸蕃慑惧，朝贡相续。”
秦仁孝帝册封扣留秦朝的慕容顺为吐谷浑可汗，命大宝王尼洛周为辅。可是，慕容顺刚到达西平郡，尼洛周就被部下所杀，慕容顺不果而还。之后在615年步萨钵可汗又恢复了吐谷浑汗国。
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